鉅大LARGE | 點擊量：949次 | 2019年05月20日
解讀鋰離子電池
鋰電池是20世紀開發(fā)成功的新式高能電池，可以理解為含有鋰元素（包含金屬鋰、鋰合金、鋰離子、鋰聚合物）的電池，可分為鋰金屬電池（很少的出產和運用）和鋰離子電池（如今許多運用）。因其具有比能量高、電池電壓高、作業(yè)溫度規(guī)模寬、儲存壽數長等利益，已廣泛應用于特種和民用小型電器中，如移動電話、便攜式計算機、攝像機、照相機等，部分代替了傳統(tǒng)電池。
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鋰離子電池的由來及打開
1970年代?？松腗.S.Whittingham選用硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負極材料，制成首個鋰電池。
1980年，J.Goodenough發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰可以作為鋰離子電池正極材料。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
982年伊利諾伊理工大學（theIllinoisInsTItuteofTechnology）的R.R.Agarwal和J.R.Selman發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性，此進程是快速的，并且可逆。與此一同，選用金屬鋰制成的鋰電池，其安全隱患備受注重，因此人們查驗利用鋰離子嵌入石墨的特性制造充電電池。首個可用的鋰離子石墨電極由貝爾實驗室試制成功。
1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人發(fā)現(xiàn)錳尖晶石是優(yōu)異的正極材料，具有低價、安穩(wěn)和優(yōu)異的導電、導鋰功用。其分化溫度高，且氧化性遠低于鈷酸鋰，即便出現(xiàn)短路、過充電，也可以避免了燃燒、爆炸的危險。
1989年，A.ManthiRam和J.Goodenough發(fā)現(xiàn)選用聚合陰離子的正極將發(fā)作更高的電壓。
1991年索尼公司發(fā)布首個商用鋰離子電池。隨后，鋰離子電池改造了消費電子產品的面貌。
1996年PADhi和Goodenough發(fā)現(xiàn)具有橄欖石結構的磷酸鹽，如磷酸鋰鐵（LiFePO4），比傳統(tǒng)的正極材料更具優(yōu)越性，因此已成為當時干流的正極材料。
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鋰離子電池(Li-ionBatteries)是鋰電池打開而來。所以在介紹Li-ion之前，先介紹鋰電池。舉例來講，扣子式電池就歸于鋰電池。鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫酰氯，負極是鋰。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)功用欠好，在充放電循環(huán)進程中，簡略構成鋰枝晶，構成電池內部短路，所以一般情況下這種電池是阻止充電的。
后來，日本索尼公司發(fā)清楚以炭材料為負極，以含鋰的化合物作正極的鋰電池，在充放電進程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。
20世紀90年代初，日本Sony動力開發(fā)公司和加拿大Moli動力公司別離研制成功了新式的鋰離子蓄電池，不只功用杰出，并且對環(huán)境無污染。跟著信息技術、手持式機械和電動轎車的迅猛打開，對高效能電源的需求急劇添加，鋰電池已成為現(xiàn)在打開最為靈敏的范疇之一。
鋰離子電池的結構及原理
鋰離子電池的首要組成：
（1）正極——活性物質首要指鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰等，導電集流體一般運用厚度在10--20微米的鋁箔；
（2）隔閡——一種特別的塑料膜，可以讓鋰離子經過，但卻是電子的絕緣體，現(xiàn)在首要有PE和PP兩種及其組合。還有一類無機固體隔閡，如氧化鋁隔閡涂層就是一種無機固體隔閡，；
（3）負極——活性物質首要指石墨、鈦酸鋰、或近似石墨結構的碳材料，導電集流體一般運用厚度在7-15微米的銅箔；
（4）電解液——一般為有機體系，如溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑，另有些聚合物電池運用凝膠狀電解液；
（5）電池外殼——首要分為硬殼（鋼殼、鋁殼、鍍鎳鐵殼等）和軟包（鋁塑膜）兩種。
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當電池充電時，鋰離子從正極中脫嵌，在負極中嵌入，放電時反之。這就需求一個電極在組裝前處于嵌鋰情況，一般挑選相對鋰而言電位大于3V且在空氣中安穩(wěn)的嵌鋰過渡金屬氧化物做正極，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。
做為負極的材料則挑選電位盡或許挨近鋰電位的可嵌入鋰化合物，如各種碳材料包含天然石墨、組成石墨、碳纖維、中心相小球碳素等和金屬氧化物，包含SnO、SnO2、錫復合氧化物SnBxPyOz(x=0.4～0.6，y=0.6～0.4，z=(2＋3x＋5y)/2)等。
電解質選用LiPF6的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（PC）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂分配的混合溶劑體系。
隔閡選用聚烯微多孔膜如PE、PP或它們復合膜，尤其是PP/PE/PP三層隔閡不只熔點較低，并且具有較高的抗穿刺強度，起到了熱穩(wěn)妥效果。
外殼選用鋼或鋁材料，蓋體組件具有防爆斷電的功用。
根柢作業(yè)原理
當對電池進行充電時，正極的含鋰化合物有鋰離子脫出，鋰離子經過電解液運動到負極。負極的炭材料呈層狀結構，它有許多微孔，抵達負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。
當對電池進行放電時（即咱們運用電池的進程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。咱們一般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進程中，鋰離子處于從正極→負極→正極的運動情況。這就像一把搖椅，搖椅的兩頭為電池的兩極，而鋰離子就在搖椅兩頭來回運動。所以鋰離子電池又名搖椅式電池。
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充放電機理
鋰離子電池的充電進程分為兩個階段：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對正負極構成永久性損壞。過度放電導致負極碳片層結構出現(xiàn)凹陷，而凹陷會構成充電進程中鋰離子無法刺進；過度充電使過多的鋰離子嵌入負極碳結構，而構成其間部分鋰離子再也無法開釋出來。
鋰離子電池堅持功用最佳的充放電方法為淺充淺放。一般60%DOD是100%DOD條件下循環(huán)壽數的2~4倍。
鋰離子電池首要功用政策
電池的容量
電池的容量有額定容量和實踐容量之分。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率放電至接連電壓時所應提供的電量，用C5標明。電池的實踐容量是指電池在必定的放電條件下所放出的實踐電量，首要受放電倍率和溫度的影響（故嚴峻來講，電池容量應指明充放電條件）。
容量單位：mAh、Ah(1Ah=1000mAh)。
電池內阻
電池內阻是指電池在作業(yè)時，電流流過電池內部所遭到的阻力。有歐姆內阻與極化內阻兩部分組成。電池內阻值大，會導致電池放電作業(yè)電壓下降，放電時間縮短。內阻巨細首要受電池的材料、制造工藝、電池結構等要素的影響。電池內阻是衡量電池功用的一個重要參數。
電壓
開路電壓是指電池在非作業(yè)情況下即電路中無電流流過期，電池正負極之間的電勢差。一般情況下，鋰離子電池布滿電后開路電壓為4.1—4.2V左右，放電后開路電壓為3.0V左右。經過對電池的開路電壓的檢測，可以判別電池的荷電情況。
作業(yè)電壓又稱端電壓，是指電池在作業(yè)情況下即電路中有電流流過期電池正負極之間的電勢差。在電池放電作業(yè)情況下，當電流流過電池內部時，不需戰(zhàn)勝電池的內阻所構成阻力，故作業(yè)電壓總是低于開路電壓，充電時則與之相反。鋰離子電池的放電作業(yè)電壓在3.6V左右。
放電途徑時間
放電途徑時間是指在電池滿電情況下放電至某電壓的放電時間。例對某三元電池測量其3.6V的放電途徑時間，以恒壓充到電壓為4.2V，并且充電電流小于0.02C時接連充電即布滿電后，然后放置10分鐘，在任何倍率的放電電流下放電至3.6V時的放電時間即為該電流下的放電途徑時間。
因某些運用鋰離子電池的用電器的作業(yè)電壓都有電壓要求，假設低于要求值，則會出現(xiàn)無法作業(yè)的情況。所以放電途徑是衡量電池功用好壞的重要標準之一。
充放電倍率
充放電倍率是指電池在規(guī)矩的時間內放出其額定容量時所需求的電流值，1C在數值上等于電池額定容量，一般以字母C標明。如電池的標稱額定容量為10Ah，則10A為1C（1倍率），5A則為0.5C，100A為10C，以此類推。
自放電率
自放電率又稱荷電堅持才調，是指電池在開路情況下，電池所儲存的電量在必定條件下的堅持才調。首要受電池的制造工藝、材料、儲存條件等要素的影響。是衡量電池功用的重要參數。
功率
充電功率是指電池在充電進程中所消耗的電能轉化成電池所能儲存的化學能程度的測量。首要受電池工藝，配方及電池的作業(yè)環(huán)境溫度影響，一般環(huán)境溫度越高，則充電功率要低。
放電功率是指在必定的放電條件下放電至結束電壓所放出的實踐電量與電池的額定容量之比，首要受放電倍率，環(huán)境溫度，內阻等要素影響，一般情況下，放電倍率越高，則放電功率越低。溫度越低，放電功率越低。
循環(huán)壽數
電池循環(huán)壽數是指電池容量下降到某一規(guī)矩的值時，電池在某一充放電準則下所履歷的充放電次數。鋰離子電池GB規(guī)矩，1C條件下電池循環(huán)500次后容量堅持率在60%以上。
鋰離子電池的首要分類
（一）、根據鋰電池所用電解質材料不同，鋰電池可以分為液態(tài)鋰電池(lithiumionbattery,簡稱為LIB)和聚合物鋰電池(polymerlithiumionbattery,簡稱為LIP)兩大類。
（二）、按充電方法可分為：不行充電的及可充電的兩類。
（三）、鋰電池外型分：有方型鋰電（如常用的手機電池）和柱形（如18650、18500）；
（四）、鋰電池外包材料分：鋁殼鋰電池，鋼殼鋰電池，軟包電池；
（五）、鋰電池從正負極材料（添加劑）分：鈷酸鋰(LiCoO2)電池、錳酸鋰（LiMn2O4），磷酸鐵鋰電池，一次性二氧化錳鋰電池
聚合物鋰電池
聚合物鋰電池所用的正負極材料與液態(tài)鋰都是相同的，電池的作業(yè)原理也根柢一同。它們的首要差異在于電解質的不同,鋰電池運用的是液體電解質,而聚合物鋰電池則以固體聚合物電解質來代替,這種聚合物可以是“干態(tài)”的,也可以是“膠態(tài)”的,現(xiàn)在大部分選用聚合物膠體電解質。
鋰聚合物電池利益：
1、安全功用好
聚合物鋰電池在結構上選用鋁塑軟包裝，有別于液態(tài)電芯的金屬外殼，一旦發(fā)作安全隱患，液態(tài)電芯簡略爆炸，而聚合物電芯最多只會氣鼓。
2、厚度小，能做得更薄
一般液態(tài)鋰電選用先定制外殼，后塞正負極村料的方法，厚度做到3.6mm以下存在技術瓶頸，聚合物電芯則不存在這一問題，厚度可做到1mm以下，契合時下手機需求方向。
3、分量輕
聚合物電池分量較持平容量標準的鋼殼鋰電輕40%，較鋁殼電池輕20%。
4、容量大
聚合物電池較持平尺度標準的鋼殼電池容量高10～15%，較鋁殼電池高5～10%，成為彩屏手機及彩信手機的首選，現(xiàn)在市面上新出的彩屏和彩信手機也大多選用聚合物電芯。
5、內阻小
聚合物電芯的內阻較一般液態(tài)電芯小，現(xiàn)在國產聚合物電芯的內阻乃至可以做到35mΩ以下，極大的減低了電池的自耗電，延伸手機的待機時間，徹底可以抵達與國際接軌的水平。這種支撐大放電電流的聚合物鋰電更是遙控模型的志向挑選，成為最有希望代替鎳氫電池的產品。
6、形狀可定制
聚合物電池可根據客戶的需求添加或削減電芯厚度，開發(fā)新的電芯類型，價格便宜，開模周期短，有的乃至可以根據手機形狀量身定做，以充分利用電池外殼空間，進步電池容量。
7、放電特性佳
聚合物電池選用膠體電解質，比較液態(tài)電解質，膠體電解質具有平穩(wěn)的放電特性和更高的放電途徑。
8、維護板規(guī)劃簡略
由于選用聚合物材料，電芯不起火、不爆炸，電芯自身具有滿意的安全性，因此聚合物電池的維護線路規(guī)劃可考慮省掉PTC和穩(wěn)妥絲，然后節(jié)省電池本錢。聚合物鋰電池在安全性、體積、分量、容量、放電功用方面均具有極大優(yōu)勢。
磷酸鐵鋰電池
從正負極材料鋰電池還分為：鈷酸鋰(LiCoO2)電池、錳酸鋰（LiMn2O4），磷酸鐵鋰電池
Sony公司推出的第一塊鋰電池中，正極材料是鈷酸鋰，負極材料為碳。其間，選擇電池的可充電最大容量及開路電壓的首要是正極材料。
磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰電池。鋰電池的正極材料有許多種，首要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。其間鈷酸鋰是現(xiàn)在絕大多數鋰電池運用的正極材料，而其它正極材料由于多種原因，現(xiàn)在在市場上還沒有許多出產。磷酸鐵鋰也是其間一種鋰電池。從材料的原理上講，磷酸鐵鋰也是一種嵌入/脫嵌進程，這一原理與鈷酸鋰，錳酸鋰徹底相同。磷酸鐵鋰電池是用來做鋰二次電池的,現(xiàn)在首要方向是動力電池，相對NI-MH,Ni-Cd電池有很大優(yōu)勢。
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磷酸鐵鋰電池的特性
1、超長壽數
長壽數鉛酸電池的循環(huán)壽數在300次左右，最高也就500次，而磷酸鐵鋰動力電池，循環(huán)壽數抵達2000次以上，標準充電（5小時率）運用，可抵達2000次。同質量的鉛酸電池是“新半年、舊半年、維護維護又半年”，最多也就1—1.5年時間，而磷酸鐵鋰電池在相同條件下運用，將抵達７－８年。歸納考慮，功用價格比將為鉛酸電池的4倍以上。
2、運用安全
磷酸鐵鋰徹底處理了鈷酸鋰和錳酸鋰的安全隱患問題，鈷酸鋰和錳酸鋰在劇烈的磕碰下會發(fā)作爆炸對消費者的生命安全構成威脅，而磷酸鐵鋰以經過嚴峻的安全測驗即便在最惡劣的交通事故中也不會發(fā)作爆炸。
可大電流2C快速充放電，在專用充電器下，1.5C充電40分鐘內即可使電池布滿，起動電流可達2C,而鉛酸電池現(xiàn)在無此功用。
3、耐高溫
磷酸鐵鋰電熱峰值可達350℃—500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。作業(yè)溫度規(guī)模廣大（-20C--＋75C），有耐高溫特性磷酸鐵鋰電熱峰值可達350℃—500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。
4、容量
具有比一般電池（鉛酸等）更大的容量?？沙潆姵卦诔３Ｌ幱诓紳M不放完的條件下作業(yè)，容量會靈敏低于額定容量值，這種現(xiàn)象叫做回想效應。像鎳氫、鎳鎘電池存在回想性，而磷酸鐵鋰電池無此現(xiàn)象，電池不論處于什么情況，可隨充隨用，無須先放完再充電。
持平標準容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池體積的2/3分量是鉛酸電池的1/3。該電池不含任何重金屬與稀有金屬（鎳氫電池需稀有金屬），無毒（SGS認證經過），無污染，契合歐洲RoHS規(guī)矩，為必定的綠色環(huán)保電池證。
5、無回想效應
鋰動力電池的功用首要取決于正負極材料，磷酸鐵鋰作為鋰電池材料是近幾年才出現(xiàn)的事，國內開發(fā)出大容量磷酸鐵鋰電池是2005年7月。其安全功用與循環(huán)壽數是其它材料所無法比較的，這些也正是動力電池最重要的技術政策。1C充放循環(huán)壽數達2000次。單節(jié)電池過充電壓30V不燃燒，穿刺不爆炸。磷酸鐵鋰正極材料做出大容量鋰電池更易串聯(lián)運用。以滿意電動車一再充放電的需求。具有無毒、無污染、安全功用好、原材料來歷廣泛、價格便宜，壽數長等利益，是新一代鋰電池的志向正極材料。
鋰電池的正極為磷酸鐵鋰材料。這種新材料不是以往的鋰電池正極材LiCoO2；LiMn2O4；LiNiMO2。其安全功用與循環(huán)壽數是其它材料所無法比較的，這些也正是動力電池最重要的技術政策。1C充放循環(huán)壽數達2000次。單節(jié)電池過充電壓30V不燃燒，不爆炸。穿刺不爆炸。磷酸鐵鋰正極材料做出大容量鋰電池更易并串聯(lián)運用。
磷酸鐵鋰電池也有其缺點：例如磷酸鐵鋰正極材料的振實密度較小，等容量的磷酸鐵鋰電池的體積要大于鈷酸鋰等鋰電池，因此在微型電池方面不具有優(yōu)勢。
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在后工業(yè)時代，轎車廣泛的速度大大超過了咱們的愿望，在帶來高效便當的一同，許多尾氣的排放，也給環(huán)境增添了很大壓力，而跟著石油價格飛漲、二氧化碳排放帶來溫室效應等問題的凸顯，更是迫切需求尋覓代替?zhèn)鹘y(tǒng)動力的新式動力。液態(tài)氫、燃料電池等都是好的挑選，可是存在價格高、技術不成熟等問題，一般鉛酸電池運用本錢相對較低，但分量重，能量密度低，運用壽數短，還存在潛在的重金屬污染等問題。
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采新一代電動車用了新式的磷酸鐵鋰電池作為其動力中心，這種綠色環(huán)保動力具有許多特征和優(yōu)勢：
1、安全性恰當高
要作為轎車動力，安全性是名列前茅的首要考慮要素。一般鋰電池的安全性雖然能得到根柢保證，可是在極點條件下存在起火、爆炸的或許性。磷酸鐵鋰電池作為鋰電池的二代產品，自身物理功用安穩(wěn)，再協(xié)作電池組內置的過壓、欠壓、過流、過充等維護功用，不爆炸不起火，是現(xiàn)在全球僅有必定安全的鋰離子電池。由于選用高熱安穩(wěn)性材料和細致工藝規(guī)劃，電池安全和可靠性大為增強。與鋰電池不當運用中或許出現(xiàn)的爆炸現(xiàn)象比較，磷酸鐵鋰電池即便扔在火中也不會發(fā)作爆炸。高溫安穩(wěn)性可達400—500°C,保證了電池內涵的高安全性;不會因過充、溫度過高、短路、碰擊而發(fā)作爆炸或燃燒。經過嚴峻的安全測驗，即便在最惡劣的交通事故中也不會發(fā)作爆炸。
2、壽數長本錢低
作為動力電池，運用壽數(循環(huán)功用)與全體運用本錢密切相關，和一般鋰電池500次左右的循環(huán)運用壽數比較，磷酸鐵鋰電池在室溫下可充放電循環(huán)1500次，容量堅持率95%以上，而50%容量的循環(huán)壽數更是抵達了2000次以上，電池的繼續(xù)旅程壽數大于50萬公里，可以運用五年左右，是鉛酸電池的8倍，鎳氫電池的3倍，是鈷酸鋰電池的4倍左右。再加上其出產制形本錢自身就低于一般鋰電池，無疑能大大下降電動車的運用和維護本錢。
一同磷酸鐵鋰電池放電功用也非常優(yōu)異，功率曲線平穩(wěn)，抗過放才調強，一般鋰電電芯在低于3.2V后，再放電就是過放，或許會導致作廢。可是磷酸鐵鋰電池在2.8V的時候還有能量開釋，低于2.5V都不存在作廢的問題。
3、運用處理便當
咱們知道，鎳氫、鎳鎘電池存在較強的回想效應，一般鋰電池也有必定的回想效應問題，需求盡量“滿布滿放”，會給電動車日常運用帶來不方便，而磷酸鐵鋰電池無此現(xiàn)象，自放電小;無回想效應，電池不論處于什么情況，可隨充隨用，無須先放完再充電，一同該電池快速充電特性優(yōu)異，用專用充電器快充，半小時能滿意95%左右。電池壽數結束后的處理問題，也值得咱們注重，磷酸鐵鋰電池不含任何重金屬與稀有金屬，無毒，無污染，契合規(guī)矩，為必定的綠色環(huán)保電池，鉛酸電池中存在著許多的鉛，在其拋棄后若處理不當，將對環(huán)境構成二次污染，而磷酸鐵鋰材料不論在出產及運用中，均無污染。
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