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磷酸铁锂电池的充放电机理及释疑（通俗篇）1．充电机理：充电时，电池的正极、负极间外接一正向电压，这个正向电压在电池的正极、负极间产生了正向电场，带电离子在电场中受力要移动，其中带正电的锂离子向负极移动，锂离子脱出正极后，正极上就多出了电子，正极上的电子则受充电电源正极吸引力向充电电源的正极移动，充电电源负极的电子受电池负极（带正电的锂离子）吸引力向电源的负极移动。这样的结果是：电源正极的锂离子在电池内部由正极流向负极，电源正极的电子由电池正极经电池外部流向电池负极，电子在导体的有序移动就产生了电流（不过物理学规定电流的方向与电子流的方向相反），其实充电的过程就是由外部电源强行将锂离子从正极拉到负极的过程，这个过程是一个纯物理过程，没有任何化学反应，充电过程中电池正极重量在减少，负极重量在增加。充了电的电池正极和负极是中性的，并不像人们想象的正极有多余的正电荷，负极有多余的电子。电池怕过冲电，过冲后果可以这样理解，随着充电的不断进行，电池正极的锂离子不断减少，由于锂离子和磷酸根离子有亲和力，减少到一定程度必须提高充电电压（增强电池内部的电场强度）才能将越来越少的锂离子拉到负极，这样将破坏正极材料和负极材料的结构和性能，对电池造成伤害，影响电池寿命。为了防止过充，设计了控制器对充电过程进行控制，充到一定程度控制器切断充电电源，结束充电过程。充电就是让电池储存能量，储存能量的数值等于充电时间对充电电压与电流乘积的积分。2.放电机理：电池外部接上负载后，由于锂离子和磷酸根离子有亲和力，磷酸根离子吸引锂离子从电池负极向电池正极移动，移到正极的锂离子又吸引外接电路中的电子向电池正极移动，由于锂离子从电池负极向电池正极移动，负极就多了电子，多的电子通过外部导体和负载负载向正极移动，这样的结果是：电源负极的锂离子在电池内部由负极流向正极，电源负极的电子由电池负极经电池外部流向电池正极，电子在导体的移动就产生了电流，放电过程也是一个纯物理过程，没有任何化学反应，放电过程中电池正极重量在增加，负极重量在减少。放了电的电池正极和负极也是中性的。电池怕过放电，过放后果可以这样理解，随着放电的不断进行，电池负极的锂离子不断减少，当负极几乎没有锂离子了，活跃程度弱于锂离子的铜离子在便向正极移动，这样将破坏负极材料和正极材料的性能，对电池造成伤害，影响电池寿命。为了防止过放，设计了控制器对放电过程进行控制，放到一定程度控制器切断负载，结束放电。放电就是电池释放能量，释放能量的数值等于放电时间对放电电压与电流乘积的积分。3．释疑：（1）关于电的速度：光的传播速度就是光子的移动速度，而电的传播速度是指电场的传播速度，不是电子的移动速度。导线中的电子每秒能移动几米就已经是很高的速度了。电子在导体中是排队前进的，电场的传播速度非常快，在真空中，这个速度的大小约接近于光速。“电”的传播过程大致是这样的：电路接通以前，金属导线中虽然各处都有自由电子，但导线内并无电场，整个导线处于静电平衡状态，自由电子只做无规则的热运动而没有定向运动，当然导线中也没有电流。当电路一接通，电场就以大约光速的速度传播出去，使电路各处的导线中迅速建立起电场，电场推动当地的自由电子做漂移运动，形成电流。那种认为开关接通后，自由电子从电源出发，以漂移速度定向运动，到达电灯之后，灯才能亮，完全是一种误解。（2）.关于电池电压、电流和容量：电是看不见摸不着的，对非专业人员可以靠想象来理解，把电池想象成比如气球或内胎等压力容器，电压（Ｖ）可以想象成气压（ｋＰａ），电流（Ａ）想象成气的流量（ｍ3/h），容量（ＡＨ）想象成容器内气体的多少（ｍ3）（换算到常压），对电池充电想象成充气,电池放电想象成放气，单体磷酸铁锂电池充电电压不能超过4.2Ｖ,单格铅酸电池充电电压不能超过2.4Ｖ,这可以想象成气球能承受的压力要低于内胎承受的压力。气球和内胎的材质限定了各自承受压力的极限，磷酸铁锂电池和铅酸电池的材质、结构限定了各自承受电压的极限，所以想做出高电压的单体磷酸铁锂电池是不可能的，要想提高电压只能靠将若干单体磷酸铁锂电池串联起来使用。（3）.关于隔膜：磷酸铁锂电池正、负极必须用隔膜隔开，隔膜是绝缘体，隔膜内没有自由电子，电子是不能穿过隔膜的，隔膜还隔离了电解液，所以不论是充电还是放电，电池内没有电子的移动，只有锂离子通过隔膜微孔在电池正、负极间穿梭，电子只能在电池的外部移动。试想一下，如果电池正、负极间没有隔膜，那电池不就是个导体了吗？很可怕。（4）.关于电解液：电解液是导电的，它能够让锂离子顺利在电池正、负极间嵌入、脱出，电解液的质量直接影响电池内阻和寿命，电池内阻越小越好。电池的内阻乘以放电电流就是电池消耗的电压，比如电启动摩托车时，6Ｖ的电瓶输出只有4ｖ，有2ｖ降在了电池内部。（5）.关于自放电：自放电又称荷电保持能力，它是指在开路状态下，电池储存的电量在一定环境条件下的保持能力。一般而言，自放电主要受制造工艺，材料，储存条件的影响自放电是衡量电池性能的主要参数之一，自放电越小越好。自放电发生在电池内部，而不是外部。磷酸铁锂电池的自放电可以理解为负极的锂离子缓慢减少。（6）.铅酸电池和磷酸铁锂电池的异同：前者机理是化学能与电能相互转化，而后者机理是电能转化成电能；前者的绝缘材料叫隔板，而后者叫隔膜；前者的电解液（稀硫酸溶液）不只起导电作用，还发生化学反应，而后者只起导电作用；前者做好了注入稀硫酸就可以用，而后者要充电后才能用。（7）.关于充放电控制、保护：为延长电池寿命，任何蓄电池必须加充电、放电控制和保护电路。小容量的电池（电动自行车，手机，笔记本，手持电动工具等）电路比较简单，而大容量的电池组（如大型风电，大型光伏发电，通信基站蓄电池组）保护电路则较复杂，往往做成一个保护和控制系统，它可以具有人机对话功能和远程通讯功能。以手机为例，原配的手机充电器内有充电控制和保护电路，而放电控制和保护电路则在手机内部，为防止过放，电压减到一定程度手机便发出警告声，电压再减保护电路便自动将手机关掉。为了保护手机电池尽量用原配充电器充电，因为厂家设计了最佳的针对这种电池控制和保护参数，万能充为了适应更多种累的手机电池，参数范围宽，会伤害电池。笔记本电池的电压是10.8Ｖ，它是由3个单体电池（3.6Ｖ）串联而成的，它的充电、放电控制和保护电路都在笔记本电脑主板上。（8）.电池的串联、并联：电池串联提高电压，电池并联增大容量，这很容易理解。2012-3-19关键词：锂离子电子离子电场导体绝缘体电池内部电池外部电子移动速度保护