15秒带你走完锂电池全过程-京煌科技

锂电池作为20 世纪最具革命性的能源技术之一，凭借其独特的电化学特性重塑了现代能源应用格局。从技术本质来看，锂电池是指以锂元素（包含金属锂、锂合金、锂离子或锂聚合物）为核心活性物质的电池体系，根据结构与工作原理的差异，主要分为锂金属电池与锂离子电池两大类别。其中，锂金属电池因技术局限性已极少生产，而锂离子电池则凭借综合性能优势，成为当前市场的绝对主流。

锂离子电池（Li-ion Batteries）由锂电池发展而来，因此在介绍 Li-ion 之前需先了解锂电池。例如常见的纽扣式电池就属于锂电池，其正极材料为二氧化锰或亚硫酰氯、负极是锂，电池组装完成后便具有电压且无需充电。这类电池虽可充电但循环性能差，充放电过程中易形成锂枝晶导致内部短路，所以通常禁止充电。后来日本索尼公司发明了以炭材料为负极、含锂化合物为正极的锂电池，充放电过程中无金属锂存在仅有锂离子，这便是锂离子电池。20 世纪 90 年代初日本 Sony 能源开发公司与加拿大 Moli 能源公司分别研制出新型锂离子蓄电池，不仅性能优良且无污染。随着信息技术、手持式设备及电动汽车的快速发展，高效能电源需求激增，锂电池已成为当前发展最迅速的领域之一。

（1）锂离子电池的主要组成：

①正极——活性物质主要指钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂等，导电集流体一般使用厚度在10--20微米的铝箔；

②隔膜——一种特殊的塑料膜，可以让锂离子通过，但却是电子的绝缘体，目前主要有PE和PP两种及其组合。还有一类无机固体隔膜，如氧化铝隔膜涂层就是一种无机固体隔膜，；

③负极——活性物质主要指石墨、钛酸锂、或近似石墨结构的碳材料，导电集流体一般使用厚度在7-15微米的铜箔；

④电解液——一般为有机体系，如溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，另有些聚合物电池使用凝胶状电解液；

⑤电池外壳——主要分为硬壳（钢壳、铝壳、镀镍铁壳等）和软包（铝塑膜）两种 。

当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。这就需要一个电极在组装前处于嵌锂状态，一般选择相对锂而言电位大于3V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。

做为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物，包括SnO、SnO2、锡复合氧化物SnBxPyOz(x=0.4～0.6，y=0.6～0.4，z=(2 ＋3x＋5y)/2)等。

电解质采用LiPF6的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（PC）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。

隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们复合膜，尤其是PP/PE/PP三层隔膜不仅熔点较低，而且具有较高的抗穿刺强度，起到了热保险作用。

外壳采用钢或铝材料，盖体组件具有防爆断电的功能。

一、锂离子电池的技术本质与工作机制

当对电池进行充电时，正极的含锂化合物有锂离子脱出，锂离子经过电解液运动到负极。负极的炭材料呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。

当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。

在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。这就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就在摇椅两端来回运动。所以锂离子电池又叫摇椅式电池。

以典型的钴酸锂电池为例，其充放电反应式为：

充电：LiCoO₂ ⇌ Li₁₋ₓCoO₂ + xLi⁺ + xe⁻（正极）

xLi⁺ + xe⁻ + 6C ⇌ LixC₆（负极）

放电：反应逆向进行

这种“摇椅式” 离子迁移机制赋予锂离子电池独特的性能优势。目前主流锂离子电池的标称电压为 3.7V（钴酸锂体系），工作电压范围严格限定在 2.8V~4.2V，超出该区间将引发不可逆的结构损伤。例如，当电压超过 4.2V 时，正极 LiCoO₂会发生晶格畸变，导致容量快速衰减；低于 2.8V 则可能引发负极析锂，形成安全隐患。

二、充放电倍率：C 值的技术内涵

“C 值” 作为衡量电池充放电速率的核心指标，定义为额定容量与电流的比值。以 2000mAh 电池为例：

·1C 充放电：电流为2000mA，理论上 1 小时完成充放电；

·0.1C 充放电：电流为200mA，需 10 小时完成。

倍率对电池性能的影响呈现非线性特征：

1.充电效率：1C 充电可在 1.5 小时内充入 80% 容量，但超过 2C 时，极化效应加剧，充电效率降至 60% 以下；

2.放电容量：大倍率放电（如5C）会导致容量衰减，2000mAh 电池在 5C 放电时实际容量可能降至 1600mAh；

3.温升控制：3C 以上放电时，电池内部温度每 10 分钟升高 15℃，需配套散热系统。

不同应用场景对倍率的需求差异显著：手机电池通常采用1C 充电，而电动汽车驱动电机需电池支持 5C 以上放电，这对电极材料的离子传导速率提出更高要求。

三、性能优劣：技术优势与应用瓶颈

核心优势：高能量密度与长循环寿命

·能量密度领先：钴酸锂电池能量密度达200-250Wh/kg，是镍镉电池的 3 倍，适用于便携式电子设备；三元锂电池（NCM）更可达 300Wh/kg 以上，支撑电动汽车 500km + 续航。

·循环寿命优势：常规锂离子电池在1C 充放电条件下可循环 500 次以上，磷酸铁锂体系更可达 2000 次，远高于镍氢电池的 300 次。

·自放电率极低：室温下每月自放电率仅2%，而镍镉电池可达 15%，这使得锂离子电池在储能系统中更具优势。

固有缺陷：成本与安全双重挑战

·成本结构分析：正极材料（如LiCoO₂）占比达 30%，加上隔膜（聚烯烃）和电解质（六氟磷酸锂）的高成本，使电池组价格维持在 150-200 美元 /kWh，是铅酸电池的 3 倍。

·安全机制复杂：过充时Li⁺嵌入导致负极析锂，可能刺穿隔膜引发短路；高温下电解质分解产生 CO₂、H₂等气体，存在热失控风险（200℃以上触发链式反应）。

·保护电路刚需：必须配备过充过放保护IC（如 TI 的 BQ29400），增加 5-10% 的成本，而镍氢电池无需额外保护。

四、概念厘清：锂电池与锂离子电池的本质区别

以锂- 二氧化锰电池为例，其放电反应为：Li + MnO₂ → LiMnO₂，属于不可逆反应；而锂离子电池通过 Li⁺迁移实现可逆循环。一次锂电池因含金属锂，存在枝晶生长风险，仅适用于低功耗场景；锂离子电池则通过脱嵌机制避免金属锂存在，成为动力储能的主流选择。

五、充电策略：CC-CV 模式的技术细节

理想充电模型：四阶段精准控制

1.涓流预充阶段：当电池电压＜2V 时，以 0.1C 电流唤醒，避免大电流对过放电池的损伤，持续至电压升至 2.5V；

2.恒流充电阶段：以1C 电流快速充电，电压线性上升至 4.2V，完成约 70% 容量补充；

3.恒压充电阶段：电压保持4.2V，电流逐渐衰减，当电流降至 0.1C 时认为充满，此阶段补充剩余 30% 容量；

4.充电终止条件：TI 方案设定电流降至 0.05C 时停止，此时电池电压回落至 4.17V，避免过充风险。

实际应用优化

手机充电器普遍采用“恒流 - 恒压 - 涓流” 三阶段模式：iPhone 15 的 20W 充电器在恒流阶段采用 2.4A 电流，恒压阶段维持 5V/3A，当电流降至 0.3A 时终止。这种策略使电池在 25℃环境下 2 小时内充至 90%，同时将温升控制在 40℃以下。

六、电压阈值：4.2V 的科学依据

循环寿命与电压的量化关系

实验数据显示，当充电截止电压从4.2V 升至 4.3V 时：

·500 次循环后容量保持率从 80% 降至 50%；

·正极LiCoO₂的 Li⁺脱嵌量超过 0.5x（x=0.5）时，层状结构向尖晶石相转变，导致离子传导率下降 30%。

安全边界的工程设定

·4.2V 是平衡容量与寿命的最佳平衡点：

·4.1V 充电时，容量损失 10%，但循环寿命延长至 800 次；

·4.3V 充电时，单周期容量提升 5%，但热失控风险增加 2 倍。

电动车电池通常采用4.15V 截止电压，通过牺牲 5% 容量换取 20% 的寿命提升，例如特斯拉 Model 3 的 2170 电池组设定为 4.2V±0.05V。

七、放电特性：电流与温度的双重影响

电流密度的非线性效应

在0.2C 放电时，2000mAh 电池可放出 2000mAh；当放电电流升至 5C 时：

·实际容量降至1600mAh，容量保持率 80%；

·内阻从50mΩ 升至 80mΩ，温升达 50℃，导致电解液黏度增加，离子传导速率下降。

温度效应的量化分析

·-20℃：容量保持率60%，内阻增大 2 倍，手机低温关机现象由此外发；

·60℃：容量保持率95%，但正极热分解加速，循环寿命缩短 30%；

·最佳温度：25℃时容量释放充分，内阻稳定在 40mΩ。

电动车BMS 系统通过液冷温控将电池温度维持在 20-35℃，确保 - 10℃环境下续航保持率≥70%。

八、循环寿命：测试标准与实际表现

国标GB/T 18287-2013 规定

·测试条件：25℃，1C 充电 150min，1C 放电至 2.75V；

·合格标准：循环300 次后，放电时间≥36min（即容量保持率≥60%）。

实际场景差异

·手机电池：每天0.5C 充放电一次，2 年（730 次）后容量保持率约 70%；

·电动车电池：快充（1.5C）占比 30% 时，1000 次循环后容量保持率≥80%；

·储能电池：深度充放（1C/1C）场景下，2000 次循环后容量保持率≥75%。

值得注意的是，“循环一次” 定义为累计放电容量等于额定容量，而非一次完整充放电。例如，每天放电 50% 并充电，2 次操作计为 1 次循环。

九、电压窗口：材料体系的性能边界

不同正极材料的电压范围存在显著差异：

电压窗口的差异源于材料晶体结构的稳定性：LiFePO₄的橄榄石结构赋予其更宽的安全边界，而 NCM811 的高镍层状结构需要更严格的电压控制。设备设计时需根据材料特性匹配保护电路参数，例如磷酸铁锂电池的充电截止电压设定为 3.65V，较钴酸锂降低 13%。

十、应用延伸：从维护策略到技术趋势

日常使用建议

1.充电习惯：避免频繁充至100%，建议设置充电上限为 80%（如 iOS 的 “优化电池充电” 功能）；

2.温度控制：充电时环境温度保持10-30℃，冬季充电前预热电池；

3.存储方法：长期存放时保持电量40-50%，温度 15℃，每 3 个月补充电一次。

技术演进方向

·固态电解质：采用Li₇La₃Zr₂O₁₂陶瓷电解质，将工作温度扩展至 - 40-100℃，同时消除液态电解质的燃爆风险；

·硅基负极：理论容量达4200mAh/g（石墨为 372mAh/g），配合高电压正极（4.5V），能量密度可突破 400Wh/kg；

·快充技术：宁德时代的麒麟电池通过3C 超快充，实现充电 10 分钟续航 400km，需配套 800V 高压平台。

锂离子电池正通过材料创新与系统优化，持续突破电压、倍率与安全的技术边界，在碳中和目标下，其在储能与交通领域的应用将迎来更广阔的发展空间。