放電時電極周圍的變化

是放電時鋰離子嵌入和遷移的示意圖。在負極，碳層之間存在鋰離子，負極比正極的能量高。外部存在負載時，負極的鋰離子釋放電子，向能量低的正極遷移。從負極脫嵌的鋰離子，通過電解液和隔膜小孔向正極遷移，嵌入層狀結構的正極活性物質中。同時，電子被接收，鋰離子被固定而變得穩定。假如過放電，鋰離子過多地聚集在正極，會使內阻增大，電池發熱，導致急劇劣化。從圖1中可見，負載電流（電池容量）幾乎是由可移動的鋰離子數量決定的。電子從集流體活性物質中穿過，到達外部端子。正極的集流體為鋁，負極的集流體為銅。這樣做的理由是：在正負極各自的電勢下，鋁和銅是不會被鋰離子摻雜（滲透）的金屬。

充電時，外部電壓施加在外部端子上，強制出現與放電反應相反的反應。由此，正極的鋰離子釋放電子，在電場用途下通過電解液遷移到負極，嵌入負極的活性物質內部。同時，電子被接收，鋰離子被負極活性物質固定。鋰離子在電解液中快速遷移，在負極表面減速，在負極活性物質內部非常緩慢地擴散。這與汽車離開高速公路，進入普通公路，然后駛入自家附近街道的過程相似。充電時，鋰離子在負極表面呈現擁堵狀態。

充電時電池在劣化

作為電解液的有機溶劑在正極分解，在負極表面與鋰離子發生反應，形成固體電解質界面膜（SEI）。因此，遷移的鋰離子數量減少，導致電池容量下降。充電時，在負極表面刻意制造這個讓化學反應容易發生的狀態。這與后面講到的電池劣化相關內容也有關聯。另外，過充電使鋰離子在負極過多聚集，內阻增大，電池發熱，會導致急劇劣化。

SOC和電壓的關系

OCV是由構成電池的材料決定的。展示了以0.02C的微弱電流充放電時的充放電曲線和OCV的關系。橫軸表示SOC，縱軸表示電壓。

假如進行微弱電流的充放電，端子電壓只比OCV高了I×R（充電電流×電池內阻）。放電時，端子電壓比OCV低I×R（放電電流×電池內阻）。從SOC來看，充電電壓和放電電壓的平均值幾乎與OCV一致。從中可以看出，SOC高的地方，OCV也高；SOC低的地方，OCV也低。而且，OCV和SOC的關系幾乎與溫度變化不相關，是穩定的。因此，對SOC上下限進行管理，就是對OCV上下限進行管理。

過充電和過放電的控制方法

充電時，端子電壓比OCV高，假如端子電壓控制在上限電壓以下，就可以防止過充電。而放電時，端子電壓低于OCV，假如端子電壓被控制在下限電壓以上，就可以防止過放電。OCV的上下限值，OCV-SOC曲線的斜率，根據所用正極材料的不同而變化。一般而言，含鎳的正極材料具有大容量，含有錳的正極材料具有高電壓，使用磷酸鐵的正極材料具有低電壓、低斜率（接近平坦）的變化趨勢。

內阻的電子電路建模

電池內部的電流源自鋰離子的遷移：在電解液內快速遷移時，電解質的電阻；在電極表面遷移時，毫秒級反應時間的表面電阻和表面電容，以及耗時30min到幾小時的緩慢反應的擴散電阻和擴散電容。電極的表面電容也稱雙電層電容，與雙電層電容器（EDLC）的原理相同。圖4是將每個電化學反應與電路的瞬態響應進行擬合，并擬合R和C的參數，使其匹配電池的響應時間的等效電路模型。這是一個電化學反應的抽象模型，可以很簡單地轉換為電化學反應方程式，因此在電池控制中經常使用。