锂离子电池充电和放电的核心步骤。充电时，锂离子从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，而放电时则相反。同时，电子通过外电路移动，保持电荷平衡。这些过程需要详细描述，包括离子的迁移路径、电极反应，以及涉及的物理结构如隔膜、电解液的作用。
锂离子电池工作过程详解
锂离子电池是一种通过锂离子在正负极之间往复迁移实现能量存储与释放的高效二次电池。其工作原理可概括为**"锂离子摇椅"机制**，即锂离子在充放电过程中像摇椅一样在正负极之间循环嵌入与脱出，同时电子通过外电路同步运动，形成闭合回路。以下从核心工作过程、关键结构及反应机理三方面展开说明：
一、充放电循环的物理过程
充电过程
预充电阶段：当电池电压低于3V时，以0.05C（如容量为3000mAh的电池对应150mA）的小电流预充，避免大电流冲击损坏电池。
恒流充电阶段：电压升至3V后，进入标准充电模式。锂离子（Li⁺）在电场驱动下从正极（如LiCoO₂）晶格脱出，穿过电解液和隔膜嵌入负极（如石墨层间），同时电子（e⁻）通过外电路从正极流向负极，形成电流。
恒压充电阶段：当电压达到4.2V时切换为恒压充电，电流逐渐减小至设定值的1/10时终止，防止过充。此时正极材料脱锂（Li₁₋ₓCoO₂），负极形成富锂态（LiₓC）。
放电过程
锂离子回迁：放电时，锂离子从负极脱嵌，经电解液穿过隔膜孔隙返回正极晶格，电子则通过外部用电器（如手机电路）从负极流向正极，与锂离子结合完成电荷平衡。
能量释放特性：放电电流越大，电解液离子迁移速率受限，导致有效容量降低（如1C放电容量可能比0.5C低5-10%），且电压平台下降更快。
二、关键结构与协同机制
电极材料与反应
正极反应：LiCoO₂ ⇌ Li₁₋ₓCoO₂ + xLi⁺ + xe⁻（充电脱锂，放电嵌锂）
负极反应：C + xLi⁺ + xe⁻ ⇌ LiₓC（充电嵌锂，放电脱锂）
总反应：LiCoO₂ + C ⇌ Li₁₋ₓCoO₂ + LiₓC
核心组件功能
隔膜：微孔结构（如宇部隔膜）允许Li⁺通过但阻止电子直接传导，防止短路。
电解液：LiPF₆的碳酸酯溶液（EC/DEC/DMC）作为离子传输介质，需具备高离子电导率与化学稳定性。
集流体：铝箔（正极）和铜箔（负极）作为电子传导载体，支撑活性物质涂层。
电子与离子的协同运动
电荷守恒：每有一个Li⁺从正极迁移至负极，必有一个e⁻通过外电路传输，两者数量相等、方向相同但路径分离。
动态平衡：离子在电解液中的扩散速率与电子在外电路的流动速度共同决定电池输出功率。
锂离子电池通过锂离子与电子的协同迁移实现高效能量转换，其工作过程本质是氧化还原反应的动态平衡。理解这一机制对优化电池设计（如开发高镍正极、硅碳负极）和提升使用效能（如避免过充过放）具有重要意义。未来随着固态电解质和锂金属负极的应用，"摇椅电池"的能效与安全性将迈向新高度。