正极：常用材料有锂钴氧化物（LiCoO₂）、锂锰氧化物（LiMn₂O₄）和磷酸铁锂（LiFePO₄），主要储存锂离子和电子。

负极：通常为石墨，用来接收锂离子和电子。

电解质：是一种液体或凝胶状的导电介质，帮助锂离子在正负极之间移动。

隔膜：有微小孔隙，隔开正负极防止短路，同时允许锂离子通过。

充电时：锂离子从正极跑出来，通过电解质移动到负极，并嵌入石墨层，电子则从外电路流向负极。

放电时：锂离子从负极出来，返回正极，电子通过外电路流向正极，释放电能。

边充边放：充放电同时进行，需电池管理系统精确控制，否则可能升温、损耗寿命。

正极反应：

LiCoO2→Li_1-xCoO₂+xLi⁺+xe^-

（锂离子和电子从正极材料中脱出）

这里，钴（Co）原子的化合价会略微升高，从+3逐渐接近+4，以维持电荷平衡。

负极反应：

C₆+xLi⁺+xe^-→Li_xC₆

（锂离子和电子进入负极石墨中，并嵌入石墨层）

这个过程叫做“嵌锂”，是锂离子进入石墨片层内部的过程。

其中的x表示参与反应的锂离子数量（也就是脱出的比例），它不是固定的，会随着电池的充放电过程而动态变化。当x趋近于1，表示锂离子几乎全部脱出，电池接近充满；当x接近0，表示锂离子几乎全部嵌回正极，电池接近放空。这个x的变化范围直接决定了电池的能量容量和输出能力，也是衡量电池状态的重要参数之一。

锂原子的最外层只有一个电子，这个电子很容易丢失，使锂变成带正电的锂离子（Li⁺）。这种状态稳定，就像氦原子一样，是锂能在电池中稳定运作的基础。

在电池充电时，锂离子从正极材料（如LiCoO₂）中跑出来，虽然锂的数量减少，但锂本身的化学价并没有变。为了保持电荷平衡，正极中的钴（Co）会“升价”，从+3逐渐升高到接近+4（通常不会超过+4，因为太高不稳定）。

锂离子的进出还会导致正极材料的晶体结构发生可逆变化。这些变化虽然不会改变锂的化学性，但会影响锂离子的流动速度和电池的使用寿命。比如电压过高时，结构可能发生“相变”，让锂离子不容易移动，导致性能下降。

长期处于满电状态也会让正极结构加速老化，电池容量慢慢变小。而负极如果锂太多，可能会在表面形成“锂枝晶”——像细针一样的金属锂。这些枝晶可能刺破隔膜，引起短路，甚至导致电池起火或爆炸，特别是在过充、快充或低温时更容易生。

(1)正极材料的晶体结构：层状结构（LiCoO2）允许锂离子快速嵌入/脱出，尖晶石结构（如LiMn2O4）具有三维扩散通道。橄榄石结构（LiFePO4）虽然稳定性高，但是电导率需要通过碳包覆提升。

(2)负极材料的储锂机制：石墨通过插层反应储存锂离子（LiC6），其层间距（0.335nm）需精准匹配锂离子直径（0.076nm）。

储能电站用 kWh/MWh，而充电宝用 mAh，是因为两者关注的重点不同：

Wh（瓦时）表示能量，也就是电能“能用多久”。

mAh（毫安时）表示电荷多少，常用于描述小电池的容量。

它们之间的联系可以通过电池的电压、电流和放电时间来理解。尽管储能电站常被比作大号充电宝，但二者在单位上却存在显著差异：

能量（Wh） = 电压（V） × 容量（Ah）（1）

另外，比容量（mAh/g）表示每克材料能存多少电量，用来衡量电池材料的性能。

正极材料的比容量以LiCoO2为例，其理论比容量的计算方法如下：

‌计算电荷量‌：首先计算1克LiCoO2的电荷量。LiCoO2的摩尔质量为97.86g/mol，法拉第常数为96485C/mol。因此，1克LiCoO2的电荷量为：

Q=985.85C/g

‌单位换算‌：将电荷量换算成mAh单位，1mAh=3.6C即：

mAh/g==273.848mAh/g

即1gLiCoO2可提供的总电量为273.848mAh，约为个电子总电量。由于实际使用中只有部分锂离子参与反应以维持材料的晶体稳定性，通常有50%-60%的锂离子参与反应，因此实际比容量约为140-160mAh/g。‌同理，负极材料石墨的理论比容量为372 mAh/g，但在实际使用中，由于锂损耗和固体电解质膜（SEI膜）形成等因素的影响，其实际比容量通常为300-345mAh/g。磷酸铁锂的理论比容量为170 mAh/g，实际比容量可超过140 mAh/g。

由（1）式，电池的电压和容量直接影响其储能能力。电池的电压因种类而异，例如，一节碱性电池的电压为1.5V，铅酸电池则为12V，而磷酸铁锂电芯、三元电芯及钴酸锂电芯的电压分别约为3.2V、3.7V及3.7V。容量大、电压高的电池储能能力更强，而通过灵活调整串联和并联的电芯数量，可以精确得到所需的不同电压和容量。

电池的质量能量密度则为单位质量电池所能输出的能量，由（1）式可得，电池的质量能量密度（Wh/kg）=比容量（Ah/kg）*平均电压（V），若某电池的比容量为2Ah/kg，平均电压为3.7V，则质量能量密度为7.4Wh/kg。相同电压水平下，正极材料的比容量越高，电池的质量能量密度越高。

电池的电压是正极与负极之间的电势差，具体的关键参数包括开路电压、工作电压和充放电截止电压。

3.1.1 电极电势与开路电压

电极电位表示一种物质吸电子、被还原的能力，越高就越容易得到电子。我们通常以氢电极为参照，规定它的电位是 0V。

德国科学家能斯特提出，当金属放入溶液中时，会发生两个方向的过程：

(1)金属原子失去电子变成离子，进入溶液；

(2)溶液中的金属离子得到电子，沉积在金属表面。

这两个过程达到平衡后，在金属和溶液交界处会形成一个电荷分离的区域，叫“双电层”，它会带来一个电势差，也就是金属的电极电位。

这个电位受到金属种类、温度、溶液成分和浓度等因素影响。

在锂电池中，电池的开路电压，就是正极材料的电极电位减去金属锂的电极电位。这个电压反映了电池能输出多少电压。

石墨插入水中，相当于形成标准氢电极，石墨的电极电位为0V；石墨插入锂盐中，锂的电极电位为3.04V：

（1）当未充电时，石墨完全没有嵌锂，此时负极石墨的电极电位为φc（C vsLi+/Li）=3.04V，正极材料LixFePO4中x接近1，其电极电位为3.1V，此时LiFePO4/石墨组成的电池的开路电压为0.06V；

（2）当充满电时，石墨部分嵌入锂，此时负极电位为φc(LixC6vsLi/Li+)=0.1V，正极材料LixFePO4中x接近0，其电极电位为3.8V，此时LiFePO4/石墨组成的电池的开路电压为3.7V。

3.1.2 电池的工作电压

工作电压又称端电压，是指电池在工作状态下即电路中有电流流过时电池正负极之间的电势差。在电池放电工作状态下，当电流流过电池内部时，需克服电池内阻所造成的阻力，会造成欧姆压降和电极极化，故工作电压总是低于开路电压。充电时则与之相反，端电压总是高于开路电压。

电流是自由电荷（如离子）在导体内定向移动产生的。电流大小取决于单位体积内自由电荷数量（n）、每个电荷量（q）、导体截面积（S）和电荷移动速度（v），具体公式如下：

I=nqSv

而充放电倍率表示电池充放电的速度，等于实际电流除以电池额定容量。‌‌‌‌例如，一块容量为100Ah的电池，充放电倍率为1C，即以100A电流充电时，需要1h充满；倍率2C时，即以200A电流充电时，仅需要0.5h充满。

（1）电池在初始阶段端电压快速下降，放电倍率越大，电压下降越快；

（2）电池电压进入一个缓慢变化的阶段，这段时间称为电池平台期，放电倍率越小，平台区持续的时间越长；

（3）在电池电量接近放完时，电池负载电压开始急剧下降直至达到放电截止电压。