探索：手机离子电池是如何工作的？

alexwang

探索：手机离子电池是如何工作的？

+ i! I% `$ j6 s+ P, l$ Z+ D# g# Y2 ]

EDA365原创   作者： 巢影字幕组

( w0 p$ L4 o, _9 j" U0 [: X

我们每天使用的智能手机每一秒钟都很疯狂，内部会有化学反应，就像里面发生的小苏打火山一样。

手机看起来像是坚固的设备，没有许多活动部件。但电池内部有一种化学反应，这种化学反应持续不断，促使手机电池很快失去电量。

今天，让我们一起来研究一下这种锂离子电池：

% v0 s5 Y& _/ i. k

它如何为你的智能手机供电？

手机充电时又会发生什么？

为什么你的电池很快就没电了？

% F+ y' I% ^  G: |1 J

那么首先，电池如何为智能手机供电呢？

所有电池都有一个正极端子和一个负极端子，并向我们的便携式设备供电。

. O: b( _# U' ~" u; l' G& y$ u

& H$ @' R1 p0 S0 l0 U' V
# J) `& {7 Y3 K5 u7 k$ m# W

而在我们的智能手机中，电本质上是电子的流动。

, @( k: c0 L- V, Z# W* a

带负电的电子从负端子流出。然后运行扬声器或显示屏之类的东西，然后在正极端子处结束。

/ R! ^6 m  O, w

& k: I% P8 l* y" c  S

3 J3 E$ x# d% z) a& u
2 [7 R& C' G9 v( C% v% K+ \

那么，电子流从何而来呢？

既然叫做锂离子电池，那么电子自然来自于元素锂。

" O3 O$ J9 \, D* o

在负极端子（技术上称为阳极）上，锂存储在碳石墨层之间，类似于铅笔中的石墨。

石墨具有层状平面的漂亮晶体结构，这样就可以将锂楔入各层之间。用技术术语来说，就叫做插层。

" X9 E! S' }( r6 b
, H$ h4 R5 U( C  e" q) |

石墨的作用就像是一个稳定的锂原子存储空间。锂元素的一个固有特性是它不喜欢它的最外层电子，它想放弃它。

所以，当有从负极端子到正极端子的可用路径时，该电子与锂分离并开始向另一侧移动。同时，锂离开石墨，变为正电或+1充电，现在称为锂离子。

/ Q  Z5 v7 f0 p. A" C

离子只是原子的花哨词，失去或获得电子从而被充电的人，当许多锂原子同时离开石墨时，电子流建立了。

. \! K3 i! c5 ]8 n

7 [9 N/ e  \0 i5 A6 K+ f

现在让我们跳到正极端子，在技术上称为正极。在这里，我们的钴失去了一些电子，从而失去了氧气，因此使钴为正，即+4。

结果，它又想要重新获得电子。

+ c3 Z* @0 o! z8 k2 b$ q

, k! _9 c. n) ]8 k7 b/ X( y

当我们将负极端子和正极端子连接到智能手机时，电子从想要放弃电子的锂中流出，通过智能手机中的电路和组件以及想要获得电子的钴。

现在，我们遇到一个小问题。

% H  M' l' c0 a) d0 V  H$ y

随着电子从负端流向正端，钴面越来越带负电，另一面带正电。

电子确实想朝这个方向流动，但同时电子不喜欢流到某个区域越来越多地带有负电荷。

& s" e4 a8 P  R: e: S

- K7 {' ~9 }! a. Z: I8 N7 K
/ R- k7 F7 X, s, z1 V$ D+ ]

这是因为相反的电荷相互吸引，而相似的电荷相互排斥。

要解决此问题，我们给现在带正电的锂离子最近离开了石墨，这是一条移动到另一侧的路径。

该路径称为电解质，其功能允许存在锂离子

, }4 q; d$ D2 s) d0 T/ m# X$ w

从一侧迁移到另一侧，同时不允许电子移动通过。

% r4 `$ l! K6 X1 L

当锂到达钴侧时它再次楔入自身，或与钴和氧嵌入，成为氧化钴锂。锂没有重新获得电子，电子到达了钴，这只是在平衡电荷积累。

让我们快速回顾一下。

这是一块充满电的电池。

9 O% L1 F, ?, z: g; g: Y
# B# U: T, T6 }

全天锂原子离开石墨层，并从电子中分离出来成为锂离子，电子从负极端子流过智能手机中的电路和组件并进入正极以连接钴原子。

0 Y9 m9 h2 f+ O6 c) D. J# b

同时，锂离子移动，通过电解质以中和积累的电荷并保持反应进行。这是反应的化学式。

因此，在一天结束时，几乎所有的锂都已离开石墨层，并加入钴变成钴酸锂，您的电池现在电量耗尽。

( m& X) B% C3 f$ i6 P

1 ^4 ~3 U: j; D  Z% L% {/ C2 _
( F8 u9 Z0 w8 ^) e

现在电池已空，让我们为它充电。

1 C7 o$ O: ]; D: V, c* ~, ~$ J

我们插入智能手机，然后执行此操作，即使用USB充电器，向相反方向的电子流施加更高的力，电子被从钴中拉出，从而使钴回到+4状态并踢出锂离子。

: ^6 E0 s$ }. Q% C+ i3 M+ M

+ _0 k/ q0 K; d+ E

另一方面，电子被迫到石墨上，从而使锂穿过电解质，并返回到石墨层中。

& j( n0 Y- U; b( Z6 w# ^& @. _

如您所见，这与之前的反应完全相反，这就是为什么该电池可充电的原因。使用手机时，锂及其电子向一个方向移动，当您将其充电后，情况则相反。

好的，现在让我们倒带并添加更多便笺细节。

首先，这两个侧面不能接触，如果阳极和阴极接触，如果石墨中还有锂，化学反应将无法控制地加速，并引起火灾或小规模爆炸。

3 [* V% V( V! e$ Q: m

, Y+ T' P' j+ P: K7 z9 _5 N/ U

因此，不导电的半渗透性隔膜允许锂离子通过的位置位于中间。这种电解质不是有效的屏障，因为它是液体。

8 E7 C, {) g+ R9 Y' M

要注意的第二件事是石墨和过氧化钴，不擅长收集或分配电子。所以在石墨旁边添加了导电铜层，在过氧化钴旁边有一个导电铝层。这两个层或薄片称为收集器。

这些显示了100％的锂从阳极到阴极，然后返回。但实际上，总会有一些百分比残留在阳极，阴极和电解质中的锂，尽管电池分别已充满电或已放电。

2 F% M/ R' |% X# Z4 y5 ]  F, U

为了最大化电池的容量，并让电池装入您的智能手机，将所有这些层折叠并包裹在矩形棱镜包装中。

9 f3 v" s1 e; j! f) Q

为了调节电流，额外的电路被添加到电池的顶部。

该电路可防止过度充电和损坏电池。

, {: H3 k5 j0 |- K* G

4 N4 |7 @+ p/ C- L4 N5 W) Q
* o4 L' s2 N; x% n$ O* ?6 H9 r; g

所以，最后一个话题。

为什么电池的最大容量会随着时间减少？

有几个原因， 其中之一是，有时锂和传入的电子与电解质和有机溶剂反应，形成称为固体电解质相间或SEI的化合物，SEI不可逆地消耗锂和电解质，

因此减少了锂的总量，从而降低电池的最大容量。

另一个原因是，当您将电池完全放电直至电量耗尽时，会导致钴侧锂过多， 导致不可逆地产生氧化锂和氧化钴（II）。

7 W  L2 V1 Y  f) `0 l  c! z

这些化合物以这种状态被卡住，从而减少了锂和钴供将来使用。

5 v" w  g! P: B; l8 x1 _) {9 m! q

偷偷告诉大家一个小技巧，不要让电池用完直到电池耗尽。最好在30％或40％，然后使其运行直至死亡。

手机离子电池的原理讲完了，你了解了吗？

本期分享就到这里，再见！

出品丨EDA365

作者丨巢影字幕组

排版编辑 | momo

9 w- D" A  E$ T: |/ e; T& _3 E9 `8 j7 B' y2 C" j; S" g* ]  Y7 ~/ V  t% C' v  c7 x6 N0 f8 ^* {: K# N: n! w' e

注：本文为EDA365电子论坛原创文章，未经允许，不得转载

( P) f% q& @) A7 u* y- a4 K; j

updown

很好的分享，让我了解离子电池的工作原理