鋰離子動(dòng)力電池基本知識(shí)

鋰離子動(dòng)力電池是目前比較環(huán)保的新能源電池之一，我們從鋰離子動(dòng)力電池材料、結(jié)構(gòu)、分類、使用環(huán)境溫度和優(yōu)缺點(diǎn)這幾方面來深入理解鋰離子電池。

1、鋰離子動(dòng)力電池材料項(xiàng)目

目前較為常用的鋰電池材料有鉆酸鋰、鎳酸鋰以及錳酸鋰。用得最多的材料是鉆酸鋰，循環(huán)性能好，制造也方便，缺點(diǎn)是鉆化合物價(jià)格較貴。鎳酸鋰的因?yàn)樾再|(zhì)不穩(wěn)定，制造困難，通常用得較多的是鉆酸鋰摻雜鎳的化合物，又稱鎳鉆酸鋰。錳酸鋰也是非常好的材料，在高溫下錳酸鋰的衰減比較快等諸多原因，目前應(yīng)用多數(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

磷酸鐵鋰電池的磷酸基正極材料依其超長(zhǎng)的循環(huán)壽命，極好的安全性能，較好的高溫性能，極其低廉的價(jià)格，而且低溫性能和倍率放電已經(jīng)可以達(dá)到鉆酸鋰的水平等，使其成為最有希望的動(dòng)力電池材料。

2、鋰離子動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)

電池一般包括：正極（positive）、負(fù)極（negative）、電解質(zhì)（electrolyte）、隔膜（separator）、正極引線（positivelead）、負(fù)極引線（negativeplate）、中心端子、絕緣材料（insulator）、安全閥（safetyvent）、密封圈（gasket）、PTC（正溫度控制端子）、電池殼。一般大家較關(guān)心正極、負(fù)極、電解質(zhì)。

3、鋰離子動(dòng)力電池分類

（1）按照電池外形

圓柱形鋰離子電池：目前主要為18650（直徑18mm，長(zhǎng)度65mm）和26650（直徑26mm，長(zhǎng)度65mm）兩種型號(hào)，主要應(yīng)用于筆記本和電動(dòng)工具領(lǐng)域；

方形鋰離子電池：種類較多，主要應(yīng)用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等領(lǐng)域；

扣式鋰離子電池：可滿足計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)等對(duì)高比容量和薄型化的要求；

（2）按使用溫度

高溫鋰離子電池：主要應(yīng)用于軍工、航天等領(lǐng)域，民用領(lǐng)域主要是汽車的GPS領(lǐng)域；

常溫鋰離子電池：目前商業(yè)化的鋰離子電池基本丟只能在-20~45℃范圍內(nèi)工作；

低溫鋰離子電池：目前商業(yè)化的鋰離子電池基本丟只能在-40~55℃范圍內(nèi)工作；

（3）按電解質(zhì)的狀態(tài)

液態(tài)鋰離子電池：電解質(zhì)為有機(jī)溶劑+鋰鹽；

聚合物鋰離子電池：聚合物的基體主要為HFP-PVDF、PEO、PAN和PMMA等；

全固態(tài)鋰離子電池：還處在實(shí)驗(yàn)階段；

（4）按外殼材質(zhì)

鋼殼鋰離子電池：密封性較好；

鋁殼鋰離子電池：質(zhì)量輕；

鋁塑膜鋰離子電池：電池生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，電池的質(zhì)量比能量高；

（5）按正極材料分類

鉆酸鋰電池：應(yīng)用最廣，振實(shí)密度高，比能量高，電壓平臺(tái)穩(wěn)，但是原來貴，對(duì)環(huán)境有污染，安全性差；

錳酸鋰：三維隧道的結(jié)構(gòu)，鋰離子可以可逆地從尖晶石晶格中脫嵌，不會(huì)引起結(jié)構(gòu)的塌陷，因而具有優(yōu)異的倍率性能和穩(wěn)定性。環(huán)境友好，但能量密度低、高溫性能大；

磷酸鐵鋰電池：比表面積大，能量密度高，循環(huán)性能好，材料批量化生產(chǎn)很難達(dá)到較高的一致性，低溫放電性能不好；

（6）按負(fù)極材料分類

石墨：電導(dǎo)性好，結(jié)晶度高，具有良好的層狀結(jié)構(gòu)適合Li的脫嵌，容量在300mAh/g以上，充放電效率90%以上，良好的充放電平臺(tái)；

軟碳：結(jié)晶度低，晶粒尺寸小，與電解液相容性好，輸出電壓低，無(wú)明顯充放電平臺(tái)，不可逆容量較高，基本沒商業(yè)化；

硬碳：Li嵌入不會(huì)引起膨脹，又良好的充放電循環(huán)性能，較高的比容量，可達(dá)到400mAh/g以上，并且低溫性能好，是理想的電動(dòng)汽車電池負(fù)極材料，日本已經(jīng)商業(yè)化；

鈦酸鋰：“零應(yīng)變”材料，電位較高不會(huì)形成鋰枝晶，目前研究較熱，但由于脹氣問題至今未得到大規(guī)模應(yīng)用；

硅基：超高的比容量，但由于粉化問題，無(wú)法真正使用，仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段；

4、鋰離子動(dòng)力電池使用的環(huán)境溫度

目前鋰離子動(dòng)力電池使用的環(huán)境溫度最低-40℃，最高70℃；而溫度范圍為-40℃——50℃，-20℃——60℃；

不同溫度下，鋰離子電池放電能力和放電容量也會(huì)不同，一般說在常溫下放電性能是最好的，其他高溫或是低溫，放電性能都會(huì)降低。

5、鋰離子動(dòng)力電池優(yōu)點(diǎn)與不足

鋰離子動(dòng)力電池優(yōu)點(diǎn)

a、電壓高：?jiǎn)误w電池的工作電壓高達(dá)3.7-3.8V（電芯電壓最高可充到4.2V），是Ni-Cd、Ni-H電池的3倍。

b、比能量大：目前能達(dá)到的實(shí)際比能量為555Wh/kg左右，即材料能達(dá)到150mAh/g以上的比容量（3-4倍于Ni-Cd，2-3倍于Ni-MH），已接近于其理論值的約88%。

c、循環(huán)壽命長(zhǎng)：一般均可達(dá)到500次以上，甚至1000次以上，磷酸鐵鋰的可以達(dá)到2000次以上。對(duì)于小電流放電的電器，電池的使用期限，將倍增電器的競(jìng)爭(zhēng)力。

d、安全性能好：無(wú)公害，無(wú)記憶效應(yīng).作為L(zhǎng)i-ion前身的鋰電池，因金屬鋰易形成枝晶發(fā)生短路，縮減了其應(yīng)用領(lǐng)域：Li-ion中不含鎘、鉛、汞等對(duì)環(huán)境有污染的元素：部分工藝（如燒結(jié)式）的Ni-Cd電池存在的一大弊病為“記憶效應(yīng)”，嚴(yán)重束縛電池的使用，但Li-ion根本不存在這方面的問題。

e、自放電?。菏覝叵鲁錆M電的Li-ion儲(chǔ)存1個(gè)月后的自放電率為2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。

f、可快速充放電：充電30分鐘容量可以達(dá)到標(biāo)稱容量的80%以上，現(xiàn)在磷鐵電池可以達(dá)到10分鐘充電到標(biāo)稱容量的90%。

g、工作溫度范圍高：工作溫度為-25~55°C，隨著電解液和正極的改進(jìn)，期望能擴(kuò)寬到-40~70°C。

鋰離子動(dòng)力電池缺點(diǎn)：

a、衰老：與其它充電電池不同，鋰離子電池的容量會(huì)緩慢衰退，與使用次數(shù)無(wú)關(guān)，而與溫度有關(guān)?？赡艿臋C(jī)制是內(nèi)阻逐漸升高，所以，在工作電流高的電子產(chǎn)品更容易體現(xiàn)。用鈦酸鋰取代石墨似乎可以延長(zhǎng)壽命。

儲(chǔ)存溫度與容量永久損失速度的關(guān)系：

b、不耐受過充：過充電時(shí)，過量嵌入的鋰離子會(huì)永久固定于晶格中，無(wú)法再釋放，可導(dǎo)致電池壽命短及產(chǎn)氣造成氣鼓。

c、不耐受過放：過放電時(shí)，電極脫嵌過多鋰離子，可導(dǎo)致晶格坍塌，從而縮短壽命及產(chǎn)氣造成氣鼓。

d、需要多重保護(hù)機(jī)制：由于錯(cuò)誤使用會(huì)減少壽命，甚至可能導(dǎo)致爆炸，所以，鋰離子電池設(shè)計(jì)時(shí)增加了多種保護(hù)機(jī)制。

保護(hù)電路：防止過充、過放、過載、過熱。

排氣孔：避免電池內(nèi)部壓強(qiáng)過大。

隔膜特性：有較高的抗穿刺強(qiáng)度，防止內(nèi)部短路；在電池內(nèi)部溫度過高時(shí)還能融化，阻止鋰離子通過，阻滯電池反應(yīng)，升高內(nèi)阻（至2kQ）。