2.1 锂离子电池工作原理

2.1.1 锂离子电池充放电原理

锂离子电池是一种广泛应用的二次电池，它的主要组成部分有正极、负极、正负极之间的隔膜以及含有锂盐的有机电解液。锂离子电池可以根据正极材料的不同分为不同的种类，包括钴酸锂电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池等，其中在规模化储能领域应用最广泛的是磷酸铁锂（LiFeP O₄）电池，该电池体系由美国得克萨斯大学奥斯汀分校的John B. Goodenough教授于1996年提出。其充放电原理如图2-1所示，正极为橄榄石型结构的磷酸铁锂（涂敷在铝箔集流体上）、负极为石墨（涂敷在铜箔集流体上）、正负极之间为用以传导锂离子的有机电解液，整体由金属或者塑料外壳封装而成。

充放电过程中磷酸铁锂电池的电极反应见式（2-1）～式（2-3）。

正极充放电反应方程式：

图2-1 磷酸铁锂电池工作原理

负极充放电反应方程式：

电池总反应方程式：

磷酸铁锂电池在充电过程中，Li+从正极中脱出，并释放一个电子进入外电路，与此同时，Li+经过电解液和隔膜嵌入到石墨负极中，外电路补偿一个电子到负极。反之，电池的放电过程可以自发进行，因为电池中的Li+总是存在由负极向正极迁移的趋势，因此将电池接在用电设备中，电池外部形成通路，负极释放出电子经过外电路到正极，形成放电电流。由锂离子电池的工作原理可发现，无论是充电还是放电，电池总是满足电荷守恒。Li+在正负极之间嵌入和脱出，就像是摇椅一样来回摆动，因此人们通常称这种电池为“摇椅式电池”。