鋰電池是20世紀(jì)開發(fā)成功的新型高能電池，可以理解為含有鋰元素（包括金屬鋰、鋰合金、鋰離子、鋰聚合物）的電池，可分為鋰金屬電池（極少的生產(chǎn)和使用）和鋰離子電池（現(xiàn)今大量使用）。因其具有比能量高、電池電壓高、工作溫度范圍寬、貯存壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于軍事和民用小型電器中，如移動(dòng)電話、便攜式計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、照相機(jī)等，部分代替了傳統(tǒng)電池。

1.鋰離子電池的由來及發(fā)展

1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成首個(gè)鋰電池。 1980年，J. Goodenough 發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰可以作為鋰離子電池正極材料。 1982年伊利諾伊理工大學(xué)（the Illinois InsTItute of Technology）的R.R.Agarwal和J.R.Selman發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性，此過程是快速的，并且可逆。與此同時(shí)，采用金屬鋰制成的鋰電池，其安全隱患備受關(guān)注，因此人們嘗試?yán)娩囯x子嵌入石墨的特性制作充電電池。首個(gè)可用的鋰離子石墨電極由貝爾實(shí)驗(yàn)室試制成功。 1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人發(fā)現(xiàn)錳尖晶石是優(yōu)良的正極材料，具有低價(jià)、穩(wěn)定和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)鋰性能。其分解溫度高，且氧化性遠(yuǎn)低于鈷酸鋰，即使出現(xiàn)短路、過充電，也能夠避免了燃燒、爆炸的危險(xiǎn)。 1989年，A.Manthiram和J.Goodenough發(fā)現(xiàn)采用聚合陰離子的正極將產(chǎn)生更高的電壓。 1991年索尼公司發(fā)布首個(gè)商用鋰離子電池。隨后，鋰離子電池革新了消費(fèi)電子產(chǎn)品的面貌。 1996年P(guān)adhi和Goodenough發(fā)現(xiàn)具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽，如磷酸鋰鐵（LiFePO4），比傳統(tǒng)的正極材料更具優(yōu)越性，因此已成為當(dāng)前主流的正極材料。

鋰離子電池(Li-ion Batteries)是鋰電池發(fā)展而來。所以在介紹Li-ion之前，先介紹鋰電池。舉例來講，紐扣式電池就屬于鋰電池。鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫酰氯，負(fù)極是鋰。電池組裝完成后電池即有電壓，不需充電。這種電池也可以充電，但循環(huán)性能不好，在充放電循環(huán)過程中，容易形成鋰枝晶，造成電池內(nèi)部短路，所以一般情況下這種電池是禁止充電的。 后來，日本索尼公司發(fā)明了以炭材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極的鋰電池，在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。 20世紀(jì)90年代初，日本Sony能源開發(fā)公司和加拿大Moli能源公司分別研制成功了新型的鋰離子蓄電池，不僅性能良好，而且對環(huán)境無污染。隨著信息技術(shù)、手持式機(jī)械和電動(dòng)汽車的迅猛發(fā)展，對高效能電源的需求急劇增長，鋰電池已成為目前發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域之一。

2.鋰離子電池的結(jié)構(gòu)及原理

鋰離子電池的主要組成：

（1）正極——活性物質(zhì)主要指鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰等，導(dǎo)電集流體一般使用厚度在10--20微米的鋁箔； （2）隔膜——一種特殊的塑料膜，可以讓鋰離子通過，但卻是電子的絕緣體，目前主要有PE和PP兩種及其組合。還有一類無機(jī)固體隔膜，如氧化鋁隔膜涂層就是一種無機(jī)固體隔膜，；

（3）負(fù)極——活性物質(zhì)主要指石墨、鈦酸鋰、或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳材料，導(dǎo)電集流體一般使用厚度在7-15微米的銅箔；

（4）電解液——一般為有機(jī)體系，如溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑，另有些聚合物電池使用凝膠狀電解液；

（5）電池外殼——主要分為硬殼（鋼殼、鋁殼、鍍鎳鐵殼等）和軟包（鋁塑膜）兩種 。

基本工作原理

當(dāng)對電池進(jìn)行充電時(shí)，正極的含鋰化合物有鋰離子脫出，鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。負(fù)極的炭材料呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，到達(dá)負(fù)極的鋰離子嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。

當(dāng)對電池進(jìn)行放電時(shí)（即我們使用電池的過程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出， 又運(yùn)動(dòng)回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。

在鋰離子電池的充放電過程中，鋰離子處于從正極→負(fù)極→正極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就在搖椅兩端來回運(yùn)動(dòng)。所以鋰離子電池又叫搖椅式電池。

充放電機(jī)理

鋰離子電池的充電過程分為兩個(gè)階段：恒流充電階段和恒壓電流遞減充電階段。 鋰離子電池過度充放電會(huì)對正負(fù)極造成永久性損壞。過度放電導(dǎo)致負(fù)極碳片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，而塌陷會(huì)造成充電過程中鋰離子無法插入；過度充電使過多的鋰離子嵌入負(fù)極碳結(jié)構(gòu)，而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來。 鋰離子電池保持性能最佳的充放電方式為淺充淺放。一般60%DOD是100%DOD條件下循環(huán)壽命的2~4倍。

3.鋰離子電池主要性能指標(biāo)

電池的容量

電池的容量有額定容量和實(shí)際容量之分。電池的額定容量是指電池在環(huán)境溫度為20℃±5℃條件下，以5h率放電至終止電壓時(shí)所應(yīng)提供的電量，用C5表示。電池的實(shí)際容量是指電池在一定的放電條件下所放出的實(shí)際電量，主要受放電倍率和溫度的影響（故嚴(yán)格來講，電池容量應(yīng)指明充放電條件）。 容量單位：mAh、Ah(1Ah=1000mAh)。

電池內(nèi)阻 電池內(nèi)阻是指電池在工作時(shí)，電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力。有歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻兩部分組成。電池內(nèi)阻值大，會(huì)導(dǎo)致電池放電工作電壓降低，放電時(shí)間縮短。內(nèi)阻大小主要受電池的材料、制造工藝、電池結(jié)構(gòu)等因素的影響。電池內(nèi)阻是衡量電池性能的一個(gè)重要參數(shù)。

電壓 開路電壓是指電池在非工作狀態(tài)下即電路中無電流流過時(shí)，電池正負(fù)極之間的電勢差。一般情況下，鋰離子電池充滿電后開路電壓為4.1—4.2V左右，放電后開路電壓為3.0V左右。通過對電池的開路電壓的檢測，可以判斷電池的荷電狀態(tài)。 工作電壓又稱端電壓，是指電池在工作狀態(tài)下即電路中有電流流過時(shí)電池正負(fù)極之間的電勢差。在電池放電工作狀態(tài)下，當(dāng)電流流過電池內(nèi)部時(shí)，不需克服電池的內(nèi)阻所造成阻力，故工作電壓總是低于開路電壓，充電時(shí)則與之相反。鋰離子電池的放電工作電壓在3.6V左右。

放電平臺(tái)時(shí)間 放電平臺(tái)時(shí)間是指在電池滿電情況下放電至某電壓的放電時(shí)間。例對某三元電池測量其3.6V的放電平臺(tái)時(shí)間，以恒壓充到電壓為4.2V，并且充電電流小于0.02C時(shí)停止充電即充滿電后，然后擱置10分鐘，在任何倍率的放電電流下放電至3.6V時(shí)的放電時(shí)間即為該電流下的放電平臺(tái)時(shí)間。 因某些使用鋰離子電池的用電器的工作電壓都有電壓要求，如果低于要求值，則會(huì)出現(xiàn)無法工作的情況。所以放電平臺(tái)是衡量電池性能好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

充放電倍率 充放電倍率是指電池在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)放出其額定容量時(shí)所需要的電流值，1C在數(shù)值上等于電池額定容量，通常以字母C表示。如電池的標(biāo)稱額定容量為10Ah，則10A為1C（1倍率），5A則為0.5C，100A為10C，以此類推。

自放電率 自放電率又稱荷電保持能力，是指電池在開路狀態(tài)下，電池所儲(chǔ)存的電量在一定條件下的保持能力。主要受電池的制造工藝、材料、儲(chǔ)存條件等因素的影響。是衡量電池性能的重要參數(shù)。

效率 充電效率是指電池在充電過程中所消耗的電能轉(zhuǎn)化成電池所能儲(chǔ)存的化學(xué)能程度的量度。主要受電池工藝，配方及電池的工作環(huán)境溫度影響，一般環(huán)境溫度越高，則充電效率要低。 放電效率是指在一定的放電條件下放電至終點(diǎn)電壓所放出的實(shí)際電量與電池的額定容量之比，主要受放電倍率，環(huán)境溫度，內(nèi)阻等因素影響，一般情況下，放電倍率越高，則放電效率越低。溫度越低，放電效率越低。

循環(huán)壽命 電池循環(huán)壽命是指電池容量下降到某一規(guī)定的值時(shí)，電池在某一充放電制度下所經(jīng)歷的充放電次數(shù)。鋰離子電池GB規(guī)定，1C條件下電池循環(huán)500次后容量保持率在60%以上。

4.鋰離子電池的主要分類

5.聚合物鋰電池

聚合物鋰電池所用的正負(fù)極材料與液態(tài)鋰都是相同的，電池的工作原理也基本一致。它們的主要區(qū)別在于電解質(zhì)的不同, 鋰電池使用的是液體電解質(zhì), 而聚合物鋰電池則以固體聚合物電解質(zhì)來代替, 這種聚合物可以是“干態(tài)”的,也可以是“膠態(tài)”的,目前大部分采用聚合物膠體電解質(zhì)。

聚合物鋰電池可分為三類：

1、固體聚合物電解質(zhì)鋰電池。電解質(zhì)為聚合物與鹽的混合物，這種電池在常溫下的離子電導(dǎo)率低，適于高溫使用。 2、 凝膠聚合物電解質(zhì)鋰電池。即在固體聚合物電解質(zhì)中加入增塑劑等添加劑，從而提高離子電導(dǎo)率，使電池可在常溫下使用。 3、 聚合物正極材料的鋰電池。采用導(dǎo)電聚合物作為正極材料，其能量是現(xiàn)有鋰電池的3倍，是最新一代的鋰電池。由于用固體電解質(zhì)代替了液體電解質(zhì),與液態(tài)鋰電池相比，聚合物鋰電池具有可薄形化、任意面積化與任意形狀化等優(yōu)點(diǎn)，也不會(huì)產(chǎn)生漏液與燃燒爆炸等安全上的問題，因此可以用鋁塑復(fù)合薄膜制造電池外殼，從而可以提高整個(gè)電池的容量；聚合物鋰電池還可以采用高分子作正極材料，其質(zhì)量比能量將會(huì)比目前的液態(tài)鋰電池提高50％以上。此外,聚合物鋰電池在工作電壓、充放電循環(huán)壽命等方面都比鋰電池有所提高。

鋰聚合物電池優(yōu)點(diǎn)：

1、安全性能好 聚合物鋰電池在結(jié)構(gòu)上采用鋁塑軟包裝，有別于液態(tài)電芯的金屬外殼，一旦發(fā)生安全隱患，液態(tài)電芯容易爆炸，而聚合物電芯最多只會(huì)氣鼓。

2、厚度小，能做得更薄 普通液態(tài)鋰電采用先定制外殼，后塞正負(fù)極村料的方法，厚度做到3.6mm以下存在技術(shù)瓶頸，聚合物電芯則不存在這一問題，厚度可做到1mm以下，符合時(shí)下手機(jī)需求方向。

3、重量輕 聚合物電池重量較同等容量規(guī)格的鋼殼鋰電輕40%，較鋁殼電池輕20%。

4、容量大 聚合物電池較同等尺寸規(guī)格的鋼殼電池容量高10～15%，較鋁殼電池高5～10%，成為彩屏手機(jī)及彩信手機(jī)的首選，現(xiàn)在市面上新出的彩屏和彩信手機(jī)也大多采用聚合物電芯。

5、內(nèi)阻小 聚合物電芯的內(nèi)阻較一般液態(tài)電芯小，目前國產(chǎn)聚合物電芯的內(nèi)阻甚至可以做到35mΩ以下，極大的減低了電池的自耗電，延長手機(jī)的待機(jī)時(shí)間，完全可以達(dá)到與國際接軌的水平。這種支持大放電電流的聚合物鋰電更是遙控模型的理想選擇，成為最有希望替代鎳氫電池的產(chǎn)品。

6、形狀可定制 聚合物電池可根據(jù)客戶的需求增加或減少電芯厚度，開發(fā)新的電芯型號，價(jià)格便宜，開模周期短，有的甚至可以根據(jù)手機(jī)形狀量身定做，以充分利用電池外殼空間，提升電池容量。

7、放電特性佳 聚合物電池采用膠體電解質(zhì)，相比液態(tài)電解質(zhì)，膠體電解質(zhì)具有平穩(wěn)的放電特性和更高的放電平臺(tái)。

8、保護(hù)板設(shè)計(jì)簡單 由于采用聚合物材料，電芯不起火、不爆炸，電芯本身具有足夠的安全性，因此聚合物電池的保護(hù)線路設(shè)計(jì)可考慮省略PTC和保險(xiǎn)絲，從而節(jié)約電池成本。聚合物鋰電池在安全性、體積、重量、容量、放電性能方面均具有極大優(yōu)勢。

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審核編輯 黃宇