锂离子电池的结构及工作原理

锂离子电池的结构可以简化为如图一所示结构。从结构上看，锂离子电池主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜、正极集流体(根据网络资料：正极附着活性物质的基体金属，如图二中的铝箔)、负极集流体(根据网络资料：负极附着活性物质的基体金属，如图二中的铜箔)六部分组成。

正极材料一般采用富锂化合物，如钴酸锂(LiCoO2)、磷酸铁锂(LiFePO4)、NCM三元材料(个人理解镍钴锰合金，N代表镍(Ni)，C代表钴(Co)、M代表锰(Mn))、锰酸锂(LiMn2O4)等。负极材料一般采用石墨。电解液一般采用溶解了锂盐的碳酸酯类有机溶剂。隔膜是高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜。

图一，图片来源：学堂在线《锂离子电池材料与技术》

课程中，以钴酸锂为正极，石墨为负极的锂离子电池为例，讲解锂离子充放电过程中锂离子和电子的运动过程。

充电时，锂离子从正极脱出，经过电解液传输，穿过隔膜嵌入到负极(图二红色球体从右侧向左侧移动)。此时，负极处于富锂状态，正极处于贫锂状态。同时电子的补偿电荷经过外电路供给到石墨负极(图二蓝色球体经过导线从右侧向左侧移动)，确保电荷平衡。

充电时，正极发生的电极反应如下：

LiCoO2→Li1-xCoO2+xLi++xe-

钴酸锂脱去锂离子(Li+)和电子(e-)，转变为脱锂态的钴酸锂(Li1-xCoO2)。

充电时，负极发生的电极反应如下：

6C+xLi++xe-→LixC6

石墨(C)得到锂离子和电子，转变为LixC6。

图二，图片来源：根据学堂在线《锂离子电池材料与技术》资料制作

放电时，过程与充电时相反。锂离子从负极脱出，经过电解液传输，穿过隔膜嵌入到正极材料中(图三红色球体从左侧向右侧移动)。此时，正极处于富锂状态，负极处于贫锂状态。同时，电子的补偿电荷经过外电路传导至正极(图三蓝色球体经过导线从左侧向右侧移动)，确保电荷平衡。

放电时，正极发生的电极反应如下：

Li1-xCoO2+xLi++xe-→LiCoO2

脱锂态的钴酸锂得到锂离子和电子，重新转变为钴酸锂。

放电时，负极发生的电极反应如下：

LixC6→6C+xLi++xe-

LixC6脱去锂离子和电子，重新转变为石墨。

图三，图片来源：根据学堂在线《锂离子电池材料与技术》资料制作

锂电池充放电的正负极发生的总反应，可以表示为如下反应方程式：

LiCoO2+6CLi1-xCoO2+LixC6

在锂离子充放电过程中，锂离子处于从“正极→负极→正极”的循环运动状态。如果将锂离子电池的形象比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的正负两极，锂离子可比喻为一名运动健将，在摇椅两端之间来回奔跑。因此，锂离子电池也被称为“摇椅电池”。

图片来源：学堂在线《锂离子电池材料与技术》

在理想充放电情况下，锂离子在层状正极材料和石墨负极材料之间反复嵌入和脱出，一般只引起材料的层面间距变化，不破坏材料的晶体结构。所以，就充放电反应的可逆性来说，锂离子电池充放电过程中的氧化还原反应是一种理想的可逆反应。

审核编辑：汤梓红