1.2.3 锂电池的工作原理

锂电池内部化学反应是一个基本的氧化还原反应，通过化学反应将电能转换成热能，这也是锂电池在实际使用过程中的工作原理。从化学反应方程式可知，锂电池的充放电过程就是锂离子的嵌入和脱嵌的过程。锂电池在充电时，正极的锂原子会发生氧化反应，失去电子，从而变为锂离子；正极氧化反应产生的大量锂离子从正极出发经过电解液到电池负极的碳层。电池容量的大小一方面和正极反应产生的锂离子数量有关，另一方面和通过电解液交换到负极的锂离子数量有关。放电时，负极发生氧化反应，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，运动回正极，回到正极的锂离子越多，放电容量越高。同样充电时，电池正极有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极，到负极的锂离子嵌入碳层微孔中，嵌入锂离子越多，充电容量越高。锂电池内部化学反应过程如图1-2所示。总的来说，锂电池内部电化学反应过程就是锂离子在正、负两极之间的来回交换，其正负极反应和总反应方程式如下所述。

正极反应方程式为

负极反应方程式为

电池总反应方程式为

在上述三个方程式中，M可以为Co、Mn、Fe、Ni，分别表示钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和镍酸锂电池。锂电池的工作原理不同于一般电池的氧化-还原过程，而是锂离子的嵌入-脱嵌过程，即锂离子可以可逆地从主体材料中嵌入或脱嵌。在充电和放电的两个阶段，在正负两个不同电极间来回嵌入和脱嵌：充电时，锂离子先从正极实现脱嵌，通过电解液到达负极，在负极嵌入锂离子，此时锂电池的负极实现富锂（富锂材料就是用少量锂掺杂正极活性物质如LiMn₂O₄等制得的正极材料，富锂可以使晶胞收缩充放电过程中体积变化较小，提高材料的结构稳定性和循环性能）的状态；放电时的过程与充电时互为逆过程。锂电池的正极材料由一种嵌锂式化合物组成，如果有外界电场，正极材料中的Li+可以在电场的作用下从晶格中实现脱嵌和嵌入。

图1-2 锂电池工作原理

以LiCoO₂为例，其正极反应方程式为

负极反应方程式为

电池总反应方程式为

锂电池工作时主要依靠正负极离子的往返运动，即两端锂离子的浓度差。在充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解液嵌入负极，这一系列的化学反应使正极处于少锂态，而负极处于多锂态。与此同时，补偿电荷从外电路供给到负极。而在放电时，Li+从负极脱嵌，经过电解液的作用再一次被嵌入正极。