三元鋰電池的工作原理是什么？

三元鋰電池的工作原理基于鋰離子在正負(fù)極之間的可逆移動(dòng)實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能的轉(zhuǎn)換。充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌，經(jīng)電解質(zhì)移向負(fù)極，電子則從正極流出經(jīng)外電路至負(fù)極，負(fù)極富鋰而正極貧鋰；放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極脫嵌，通過電解質(zhì)向正極移動(dòng)，電子從負(fù)極流出經(jīng)外電路流向正極形成電流。如此循環(huán)往復(fù)，讓電池持續(xù)發(fā)揮充放電的功能 。

具體來說，三元鋰電池一般由外殼、絕緣材料、安全閥、正/負(fù)極引線、正極、電解質(zhì)、隔膜、負(fù)極等部件構(gòu)成。在電池充電進(jìn)程中，Li+從正極脫離，同時(shí)釋放一個(gè)電子，使得Ni2+/3+被氧化為Ni4+ 。之后，Li+經(jīng)過電解質(zhì)嵌入碳負(fù)極，而電子的補(bǔ)償電荷從外電路轉(zhuǎn)移到負(fù)極，以此維持電荷平衡。

當(dāng)電池處于放電狀態(tài)時(shí)，電子從負(fù)極出發(fā)，流經(jīng)外電路最終到達(dá)正極。在電池內(nèi)部，Li+朝著正極遷移，嵌入到層狀三元正極材料內(nèi)部，并從外電路獲取一個(gè)電子，此時(shí)三元材料中的Ni4+又還原為Ni2+/3+ 。需要留意的是，在電池充放電循環(huán)期間，三元材料中的Mn元素通常不參與反應(yīng)。不過，要是在充電過程中脫鋰量較大且截止電壓較高（>4.4V vs Li/Li+）時(shí)，Co元素會(huì)參與電荷補(bǔ)償，進(jìn)而出現(xiàn)Co3+氧化為Co4+的現(xiàn)象。

以鎳鈷錳酸鋰為正極材料、石墨為負(fù)極材料為例，充電時(shí)正極反應(yīng)為Li(NiCoMn)O2 → Li1-x(NiCoMn)O2 + xLi+ + xe-，負(fù)極反應(yīng)為nC + xLi+ + xe- → LixCn，電池總反應(yīng)為Li (NiCoMn) O2 + nC → Li1-x (NiCoMn) O2 + LixCn；放電時(shí)正極反應(yīng)為Li1-x(NiCoMn)O2 + xLi+ + xe- → Li(NiCoMn)O2，負(fù)極反應(yīng)為LixCn → nC + xLi+ + xe-，電池總反應(yīng)為Li1-x (NiCoMn) O2 + LixCn → Li (NiCoMn) O2 + nC。正是這些化學(xué)反應(yīng)中的電荷轉(zhuǎn)移，構(gòu)成了電池充放電的核心機(jī)制。通過電荷轉(zhuǎn)移和化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化，讓三元鋰電池能夠持續(xù)穩(wěn)定地為設(shè)備提供電力支持 。