1.2.3 鋰電池的工作原理

鋰電池內部化學反應是一個基本的氧化還原反應，通過化學反應將電能轉換成熱能，這也是鋰電池在實際使用過程中的工作原理。從化學反應方程式可知，鋰電池的充放電過程就是鋰離子的嵌入和脫嵌的過程。鋰電池在充電時，正極的鋰原子會發生氧化反應，失去電子，從而變為鋰離子；正極氧化反應產生的大量鋰離子從正極出發經過電解液到電池負極的碳層。電池容量的大小一方面和正極反應產生的鋰離子數量有關，另一方面和通過電解液交換到負極的鋰離子數量有關。放電時，負極發生氧化反應，嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，運動回正極，回到正極的鋰離子越多，放電容量越高。同樣充電時，電池正極有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極，到負極的鋰離子嵌入碳層微孔中，嵌入鋰離子越多，充電容量越高。鋰電池內部化學反應過程如圖1-2所示。總的來說，鋰電池內部電化學反應過程就是鋰離子在正、負兩極之間的來回交換，其正負極反應和總反應方程式如下所述。

正極反應方程式為

負極反應方程式為

電池總反應方程式為

在上述三個方程式中，M可以為Co、Mn、Fe、Ni，分別表示鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和鎳酸鋰電池。鋰電池的工作原理不同于一般電池的氧化-還原過程，而是鋰離子的嵌入-脫嵌過程，即鋰離子可以可逆地從主體材料中嵌入或脫嵌。在充電和放電的兩個階段，在正負兩個不同電極間來回嵌入和脫嵌：充電時，鋰離子先從正極實現脫嵌，通過電解液到達負極，在負極嵌入鋰離子，此時鋰電池的負極實現富鋰（富鋰材料就是用少量鋰摻雜正極活性物質如LiMn₂O₄等制得的正極材料，富鋰可以使晶胞收縮充放電過程中體積變化較小，提高材料的結構穩定性和循環性能）的狀態；放電時的過程與充電時互為逆過程。鋰電池的正極材料由一種嵌鋰式化合物組成，如果有外界電場，正極材料中的Li+可以在電場的作用下從晶格中實現脫嵌和嵌入。

以LiCoO₂為例，其正極反應方程式為

負極反應方程式為

電池總反應方程式為

鋰電池工作時主要依靠正負極離子的往返運動，即兩端鋰離子的濃度差。在充電時，Li+從正極脫嵌，經過電解液嵌入負極，這一系列的化學反應使正極處于少鋰態，而負極處于多鋰態。與此同時，補償電荷從外電路供給到負極。而在放電時，Li+從負極脫嵌，經過電解液的作用再一次被嵌入正極。