对设计锂电池毫无头绪

寂静回声

问





答

锂电池的化学反应本质是可逆氧化还原反应（Redox），充电时将电能转化为化学能存储，放电时化学能转化为电能输出。
负极表面电解质（如 EC）在 Li⁺催化下分解，生成 Li₂CO₃、LiF 等组成的钝化膜（Solid Electrolyte Interface）。
SEI 膜允许 Li⁺通过、阻止电子和溶剂分子穿透，保护负极不被进一步腐蚀，但过厚会增大 Li⁺迁移阻力（内阻上升），需通过电解液添加剂（如 VC、FEC）调控其厚度和稳定性。
化学反应是能量转化的本质，但 Li⁺和电子的物理传输效率直接决定电池的充放电倍率、内阻、低温性能，是工程设计中优化的核心。
电子从负极活性材料（石墨）通过集流体（铜箔）→ 外部电路 → 正极集流体（铝箔）→ 正极活性材料（LiCoO₂），完成回路。
集流体需具备高导电性（铜箔电阻率 < 0.017Ω・mm²/m）、薄（减少重量占比）；电极材料需添加导电剂（如炭黑、CNT），解决部分正极材料（如 LiFePO₄）电子导电性差的问题。
SEI 膜并非永久稳定，循环过程中会因 Li⁺嵌入 / 脱嵌的体积膨胀（如石墨体积变化约 10%）发生微裂纹，导致电解液持续分解、SEI 膜增厚，内阻上升、容量衰减，这是锂电池循环寿命的主要限制因素。
大倍率充放电时，电极表面 Li⁺浓度与电解液本体浓度差异增大，导致实际电势偏离理论电势（极化现象），表现为电压下降（放电）或上升（充电）过快，容量降低。
降低电流密度（避免超倍率使用）、优化电极结构（如梯度涂层，表面活性材料粒径更小）、提升电解液离子电导率。
锂电池的性能（容量、倍率、寿命、安全）本质是 “化学反应可逆性” 与 “物理传输效率” 的综合体现，工程设计中需针对性优化。

电化学是核心原理根基（决定电池 “能不能工作”），物理学是性能实现的保障（决定电池 “工作得好不好”）。

电化学：电极热力学（能斯特方程）、动力学（Butler–Volmer 方程）、电荷转移、SEI 化学、电解液分解、氧化还原机理。
固态物理 / 材料科学：晶体结构、固体中的扩散、相变、电子结构、缺陷、机械应力（如颗粒破裂）。
化学工程：传输现象（质量、电荷、热量）、反应工程、工艺设计与放大、电解液配方开发。
电气工程：电芯均衡、电池包架构、电学行为建模、电池管理系统（BMS）、安全控制策略。
热工程：产热机制、热失控机理、冷却系统设计、热仿真建模。
机械工程：封装设计、电芯/电池包结构、密封、隔膜、压缩效应（尤其对软包电池和固态电池至关重要）。