锂离子动力电池是什么？

时间： 2024-06-25 来源：格瑞普官网

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锂离子动力电池是目前比较环保的新能源电池之一，我们从锂离子动力电池材料、结构、分类、使用环境温度和优缺点这几方面来深入理解锂离子电池。

1、锂离子动力电池材料项目

目前较为常用的锂电池材料有钻酸锂、镍酸锂以及锰酸锂。用得最多的材料是钻酸锂，循环性能好，制造也方便，缺点是钻化合物价格较贵。镍酸锂的因为性质不稳定，制造困难，通常用得较多的是钻酸锂掺杂镍的化合物，又称镍钻酸锂。锰酸锂也是非常好的材料，在高温下锰酸锂的衰减比较快等诸多原因，目前应用多数还停留在实验室阶段。

磷酸铁锂电池的磷酸基正极材料依其超长的循环寿命，极好的安全性能，较好的高温性能，极其低廉的价格，而且低温性能和倍率放电已经可以达到钻酸锂的水平等，使其成为最有希望的动力电池材料。

2、锂离子动力电池的结构

电池一般包括：正极（positive）、负极（negative）、电解质（electrolyte）、隔膜（separator）、正极引线（positivelead）、负极引线（negativeplate）、中心端子、绝缘材料（insulator）、安全阀（safetyvent）、密封圈（gasket）、PTC（正温度控制端子）、电池壳。一般大家较关心正极、负极、电解质。

图 1

3、锂离子动力电池分类

（1）按照电池外形
圆柱形锂离子电池：目前主要为18650（直径18mm，长度65mm）和26650（直径26mm，长度65mm）两种型号，主要应用于笔记本和电动工具领域；
方形锂离子电池：种类较多，主要应用于手机、数码相机等领域；
扣式锂离子电池：可满足计算机、摄像机等对高比容量和薄型化的要求；

（2）按使用温度
高温锂离子电池：主要应用于军工、航天等领域，民用领域主要是汽车的GPS领域；
常温锂离子电池：目前商业化的锂离子电池基本丢只能在-20~45℃范围内工作；
低温锂离子电池：目前商业化的锂离子电池基本丢只能在-40~55℃范围内工作；

（3）按电解质的状态
液态锂离子电池：电解质为有机溶剂+锂盐；
聚合物锂离子电池：聚合物的基体主要为HFP-PVDF、PEO、PAN和PMMA等；
全固态锂离子电池：还处在实验阶段；

（4）按外壳材质
钢壳锂离子电池：密封性较好；
铝壳锂离子电池：质量轻；
铝塑膜锂离子电池：电池生产工艺简单，电池的质量比能量高；

（5）按正极材料分类
钻酸锂电池：应用最广，振实密度高，比能量高，电压平台稳，但是原来贵，对环境有污染，安全性差；

锰酸锂：三维隧道的结构，锂离子可以可逆地从尖晶石晶格中脱嵌，不会引起结构的塌陷，因而具有优异的倍率性能和稳定性。环境友好，但能量密度低、高温性能大；

磷酸铁锂电池：比表面积大，能量密度高，循环性能好，材料批量化生产很难达到较高的一致性，低温放电性能不好；

（6）按负极材料分类

石墨：电导性好，结晶度高，具有良好的层状结构适合Li的脱嵌，容量在300mAh/g以上，充放电效率90%以上，良好的充放电平台；

软碳：结晶度低，晶粒尺寸小，与电解液相容性好，输出电压低，无明显充放电平台，不可逆容量较高，基本没商业化；

硬碳：Li嵌入不会引起膨胀，又良好的充放电循环性能，较高的比容量，可达到400mAh/g以上，并且低温性能好，是理想的电动汽车电池负极材料，日本已经商业化；

钛酸锂：“零应变”材料，电位较高不会形成锂枝晶，目前研究较热，但由于胀气问题至今未得到大规模应用；

硅基：超高的比容量，但由于粉化问题，无法真正使用，仍处于实验室研究阶段；

4、锂离子动力电池使用的环境温度
目前锂离子动力电池使用的环境温度最低-40℃，最高70℃；而温度范围为-40℃——50℃，-20℃——60℃；

不同温度下，锂离子电池放电能力和放电容量也会不同，一般说在常温下放电性能是最好的，其他高温或是低温，放电性能都会降低。

5、锂离子动力电池优点与不足

锂离子动力电池优点
a、电压高：单体电池的工作电压高达3.7-3.8V（电芯电压最高可充到4.2V），是Ni-Cd、Ni-H电池的3倍。

b、比能量大：目前能达到的实际比能量为555Wh/kg左右，即材料能达到150mAh/g以上的比容量（3-4倍于Ni-Cd，2-3倍于Ni-MH），已接近于其理论值的约88%。

c、循环寿命长：一般均可达到500次以上，甚至1000次以上，磷酸铁锂的可以达到2000次以上。对于小电流放电的电器，电池的使用期限，将倍增电器的竞争力。

d、安全性能好：无公害，无记忆效应.作为Li-ion前身的锂电池，因金属锂易形成枝晶发生短路，缩减了其应用领域：Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素：部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但Li-ion根本不存在这方面的问题。

e、自放电小：室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。

f、可快速充放电：充电30分钟容量可以达到标称容量的80%以上，现在磷铁电池可以达到10分钟充电到标称容量的90%。

g、工作温度范围高：工作温度为-25~55℃，随着电解液和正极的改进，期望能扩宽到-40~70℃。

锂离子动力电池缺点：

a、衰老：与其它充电电池不同，锂离子电池的容量会缓慢衰退，与使用次数无关，而与温度有关。可能的机制是内阻逐渐升高，所以，在工作电流高的电子产品更容易体现。用钛酸锂取代石墨似乎可以延长寿命。

储存温度与容量永久损失速度的关系：

充电电量储存温度0℃ 储存温度25℃ 储存温度40℃ 储存温度60℃
40%~60%2% 2%/年 4%/年 15%/年 25%/年

100% 6%/年 20%/年 35%/年 80%/6月

b、不耐受过充：过充电时，过量嵌入的锂离子会永久固定于晶格中，无法再释放，可导致电池寿命短及产气造成气鼓。

c、不耐受过放：过放电时，电极脱嵌过多锂离子，可导致晶格坍塌，从而缩短寿命及产气造成气鼓。

d、需要多重保护机制：由于错误使用会减少寿命，甚至可能导致爆炸，所以，锂离子电池设计时增加了多种保护机制。

保护电路：防止过充、过放、过载、过热。

排气孔：避免电池内部压强过大。

隔膜特性：有较高的抗穿刺强度，防止内部短路；在电池内部温度过高时还能融化，

阻止锂离子通过，阻滞电池反应，升高内阻（至2kQ）。

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