锂离子电池的充放电：嵌入、脱出与容量衰减

一节锂离子电池由正极、负极、隔膜和电解液构成。正极多为层状过渡金属氧化物，负极多为石墨，隔膜是绝缘的多孔薄膜，电解液里溶有锂盐。充电时，正极被氧化，锂离子脱出，穿过电解液嵌入石墨的层间；放电时反向进行。锂离子像搬运工一样在两端来回，电极材料的结构本身不参加剧烈的化学反应。所谓摇椅式电池，说的就是这种来回搬运动作。

电压来自两端材料的化学势差，常见体系满电时约3.6到3.8伏。能量密度则以质量或体积计，目前量产电芯大致在每公斤250瓦时上下，实验室里的新型材料能更高，但循环寿命和安全性往往跟不上。把单体串并联成电池包后，还要加上管理系统、冷却和结构件，整包的能量密度会明显低于单体。这也是同款电芯装在不同车型上续航差别明显的原因之一。

容量衰减有几个主要来源。电解液在负极表面分解，形成一层钝化膜，这层膜初期有益，但会随循环缓慢增厚，持续消耗锂离子；正极颗粒在反复脱嵌中产生微裂纹，新暴露的表面又生成新的膜；低温或大倍率充电时，锂离子来不及嵌入石墨，会在表面沉积成金属锂，形成枝晶，既损失容量又带来安全风险。枝晶一旦刺穿隔膜，正负极直接接触，就会短路放热。

使用条件因此有讲究。快充的瓶颈不在电极反应速度，而在锂离子穿过电解液、穿过界面膜、在颗粒内部扩散的速度，提高倍率会让浓度梯度变大。高温会加速副反应，长期满电存放会让正极处于高氧化态，空电存放则可能让负极电位升高。多数厂商建议长期存放时保持中等电量，这不是玄学，而是电极稳定性的要求。充电曲线上的恒流与恒压两段，也是为控制这些副反应设计的。

常见误解是锂离子电池有记忆效应，需要先把电用光再充。记忆效应主要出现在早期的镍镉电池，锂离子电池没有这个问题，深度放电反而会加速老化。另一个误解是认为标称容量就是实际可用容量，温度、倍率、截止电压都会改变可放出的电量，低温下少两三成是常事。看容量对比时，要先对齐测量温度和放电倍率。