锂离子电池是如何工作的？了解它的内部结构和制造过程

锂离子电池已经成为现代生活中不可或缺的能源部件，无论是手机、笔记本电脑，还是电动汽车，都依赖它来提供电力。这种电池通过锂离子在正极和负极之间的移动来储存和释放能量，由于工作原理可靠且安全性较高，得到了广泛应用。

电池的基本工作原理

Millennial Lithium

锂离子电池反应原理图（钴酸锂和石墨层状化合物）

锂离子电池的工作方式，可以理解为锂离子在正负两极之间的有序迁移。

以常用的钴酸锂正极和石墨负极为例：

充电时，锂离子从正极材料中脱离，经过电解液，嵌入到负极的石墨层状结构内部。这个过程需要外部电源提供能量。

放电时，锂离子从石墨中脱出，返回正极材料，同时通过外部电路向用电设备供电。

整个过程中，锂离子在正极和负极之间反复运动，实现电能的储存和释放。正因为这一特点，锂离子电池有时也被称为“摇椅电池”。

电池的内部构成

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电极结构

锂离子电池主要由以下几个关键部分组成：

正极材料：通常为钴酸锂、磷酸铁锂或三元材料等，涂覆在铝箔上，是锂离子的来源和归宿。

负极材料：主流为石墨，用于在充电时容纳锂离子。

隔膜：一层多孔的高分子薄膜，将正极和负极物理隔离，防止短路，同时允许锂离子通过。

电解液：含有锂盐的有机溶液，作为锂离子传输的介质。

外壳：用于封装和保护内部结构，常见的有金属壳和铝塑膜软包两种形式。

扣式电池的结构示意图

方形电池和圆柱形电池结构示意图

根据外形，锂离子电池主要分为圆柱形、方形和扣式三种。

电池的制造流程

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制造锂离子电池是一个复杂而精确的过程，主要包括以下步骤：

制备极片：将活性物质、导电剂和粘结剂混合成浆料，均匀涂覆在金属集流体上，经干燥、压实后切割成指定尺寸。

组装电芯：将正极片、隔膜、负极片按顺序叠放或卷绕，焊接极耳，形成电芯主体。

封装和注液：将电芯放入外壳中密封，在干燥环境中注入电解液。

激活和检测：对电池进行首次充电激活，然后进行电气性能测试，根据容量、内阻等参数进行分类筛选。

主要性能参数

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锂离子电池典型充放电曲线

在实际使用中，以下几个参数常用来评估电池的性能：

电压：包括开路电压和工作电压。工作电压总是低于开路电压，因为电流通过电池内部时会受到阻力。

容量：指电池所能储存的电量多少，通常以安时为单位。

倍率：表示充放电电流的大小。倍率越高，充放电速度越快。

循环寿命：电池在重复充放电后容量衰减的程度，直接影响其使用寿命。

安全性：电池在过热、过充或短路等异常情况下的稳定性和可靠性，是设计和生产的重点考虑因素。

锂离子电池的技术核心在于材料选择和工艺控制。随着市场需求的变化，电池技术也在不断进步，未来将继续向着更高能量密度、更长寿命和更可靠的安全性能发展。

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