钜大LARGE | 点击量：1668次 | 2019年05月20日
锂离子电池的结构及原理
锂电池是20世纪开发成功的新式高能电池，能够理解为含有锂元素（包含金属锂、锂合金、锂离子、锂聚合物）的电池，可分为锂金属电池（很少的生产和运用）和锂离子电池（如今很多运用）。因其具有比能量高、电池电压高、作业温度范围宽、贮存寿数长等长处，已广泛运用于特种和民用小型电器中，如移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等，部分代替了传统电池。
01
锂离子电池的由来及发展
1970年代埃克森的M.S.Whittingham选用硫化钛作为正极资料，金属锂作为负极资料，制成首个锂电池。
1980年，J.Goodenough发现钴酸锂能够作为锂离子电池正极资料。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
982年伊利诺伊理工大学（theIllinoisInsTItuteofTechnology）的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此进程是快速的，而且可逆。与此一起，选用金属锂制成的锂电池，其安全隐患备受重视，因而人们尝试运用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。
1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优秀的正极资料，具有低价、安稳和优秀的导电、导锂功用。其分化温度高，且氧化性远低于钴酸锂，即便呈现短路、过充电，也能够避免了焚烧、爆破的危险。
1989年，A.Manthiram和J.Goodenough发现选用聚合阴离子的正极将发生更高的电压。
1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后，锂离子电池改造了消费电子产品的相貌。
1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸锂铁（LiFePO4），比传统的正极资料更具优越性，因而已成为当前主流的正极资料。
锂离子电池(Li-ionBatteries)是锂电池发展而来。所以在介绍Li-ion之前，先介绍锂电池。举例来讲，扣子式电池就属于锂电池。锂电池的正极资料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是锂。电池组装完成后电池即有电压，不需充电。这种电池也能够充电，但循环功用欠好，在充放电循环进程中，简单形成锂枝晶，形成电池内部短路，所以一般情况下这种电池是制止充电的。
后来，日本索尼公司发明晰以炭资料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电进程中，没有金属锂存在，只要锂离子，这便是锂离子电池。
20世纪90年代初，日本Sony能源开发公司和加拿大Moli能源公司分别研制成功了新式的锂离子蓄电池，不只功用杰出，而且对环境无污染。随着信息技术、手持式机械和电动轿车的迅猛发展，对高效能电源的需求急剧增长，锂电池已成为现在发展最为敏捷的范畴之一。
02
锂离子电池的结构及原理
锂离子电池的首要组成：
（1）正极——活性物质首要指钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂等，导电集流体一般运用厚度在10--20微米的铝箔；
（2）隔阂——一种特殊的塑料膜，能够让锂离子经过，但却是电子的绝缘体，现在首要有PE和PP两种及其组合。还有一类无机固体隔阂，如氧化铝隔阂涂层便是一种无机固体隔阂，；
（3）负极——活性物质首要指石墨、钛酸锂、或近似石墨结构的碳资料，导电集流体一般运用厚度在7-15微米的铜箔；
（4）电解液——一般为有机体系，如溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，另有些聚合物电池运用凝胶状电解液；
（5）电池外壳——首要分为硬壳（钢壳、铝壳、镀镍铁壳等）和软包（铝塑膜）两种。
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当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。这就需求一个电极在组装前处于嵌锂状况，一般挑选相对锂而言电位大于3V且在空气中安稳的嵌锂过渡金属氧化物做正极，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。
做为负极的资料则挑选电位尽可能挨近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳资料包含天然石墨、合成石墨、碳纤维、中心相小球碳素等和金属氧化物，包含SnO、SnO2、锡复合氧化物SnBxPyOz(x=0.4～0.6，y=0.6～0.4，z=(2＋3x＋5y)/2)等。
电解质选用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）等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。
隔阂选用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们复合膜，尤其是PP/PE/PP三层隔阂不只熔点较低，而且具有较高的抗穿刺强度，起到了热保险作用。
外壳选用钢或铝资料，盖体组件具有防爆断电的功用。
根本作业原理
当对电池进行充电时，正极的含锂化合物有锂离子脱出，锂离子经过电解液运动到负极。负极的炭资料呈层状结构，它有很多微孔，抵达负极的锂离子嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。
当对电池进行放电时（即咱们运用电池的进程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。咱们通常所说的电池容量指的便是放电容量。
在锂离子电池的充放电进程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状况。这就像一把摇椅，摇椅的两头为电池的两极，而锂离子就在摇椅两头来回运动。所以锂离子电池又叫摇椅式电池。
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充放电机理
锂离子电池的充电进程分为两个阶段：恒流充电阶段和恒压电流递减充电阶段。
锂离子电池过度充放电会对正负极形成永久性损坏。过度放电导致负极碳片层结构呈现塌陷，而塌陷会形成充电进程中锂离子无法刺进；过度充电使过多的锂离子嵌入负极碳结构，而形成其间部分锂离子再也无法释放出来。
锂离子电池坚持功用最佳的充放电办法为浅充浅放。一般60%DOD是100%DOD条件下循环寿数的2~4倍。
03
锂离子电池首要功用指标
电池的容量
电池的容量有额外容量和实践容量之分。电池的额外容量是指电池在环境温度为20℃±5℃条件下，以5h率放电至停止电压时所应提供的电量，用C5表示。电池的实践容量是指电池在必定的放电条件下所放出的实践电量，首要受放电倍率和温度的影响（故严格来讲，电池容量应指明充放电条件）。
容量单位：mAh、Ah(1Ah=1000mAh)。
电池内阻
电池内阻是指电池在作业时，电流流过电池内部所受到的阻力。有欧姆内阻与极化内阻两部分组成。电池内阻值大，会导致电池放电作业电压下降，放电时刻缩短。内阻巨细首要受电池的资料、制作工艺、电池结构等要素的影响。电池内阻是衡量电池功用的一个重要参数。
电压
开路电压是指电池在非作业状况下即电路中无电流流过期，电池正负极之间的电势差。一般情况下，锂离子电池充溢电后开路电压为4.1—4.2V左右，放电后开路电压为3.0V左右。经过对电池的开路电压的检测，能够判断电池的荷电状况。
作业电压又称端电压，是指电池在作业状况下即电路中有电流流过期电池正负极之间的电势差。在电池放电作业状况下，当电流流过电池内部时，不需克服电池的内阻所形成阻力，故作业电压总是低于开路电压，充电时则与之相反。锂离子电池的放电作业电压在3.6V左右。
放电渠道时刻
放电渠道时刻是指在电池满电情况下放电至某电压的放电时刻。例对某三元电池测量其3.6V的放电渠道时刻，以恒压充到电压为4.2V，而且充电电流小于0.02C时停止充电即充溢电后，然后搁置10分钟，在任何倍率的放电电流下放电至3.6V时的放电时刻即为该电流下的放电渠道时刻。
因某些运用锂离子电池的用电器的作业电压都有电压要求，假如低于要求值，则会呈现无法作业的情况。所以放电渠道是衡量电池功用好坏的重要规范之一。
充放电倍率
充放电倍率是指电池在规则的时刻内放出其额外容量时所需求的电流值，1C在数值上等于电池额外容量，通常以字母C表示。如电池的标称额外容量为10Ah，则10A为1C（1倍率），5A则为0.5C，100A为10C，以此类推。
自放电率
自放电率又称荷电坚持才能，是指电池在开路状况下，电池所贮存的电量在必定条件下的坚持才能。首要受电池的制作工艺、资料、贮存条件等要素的影响。是衡量电池功用的重要参数。
功率
充电功率是指电池在充电进程中所消耗的电能转化成电池所能贮存的化学能程度的量度。首要受电池工艺，配方及电池的作业环境温度影响，一般环境温度越高，则充电功率要低。
放电功率是指在必定的放电条件下放电至结尾电压所放出的实践电量与电池的额外容量之比，首要受放电倍率，环境温度，内阻等要素影响，一般情况下，放电倍率越高，则放电功率越低。温度越低，放电功率越低。
循环寿数
电池循环寿数是指电池容量下降到某一规则的值时，电池在某一充放电制度下所阅历的充放电次数。锂离子电池GB规则，1C条件下电池循环500次后容量坚持率在60%以上。
04
锂离子电池的首要分类
（一）、依据锂电池所用电解质资料不同，锂电池能够分为液态锂电池(lithiumionbattery,简称为LIB)和聚合物锂电池(polymerlithiumionbattery,简称为LIP)两大类。
（二）、按充电办法可分为：不可充电的及可充电的两类。
（三）、锂电池外型分：有方型锂电（如常用的手机电池）和柱形（如18650、18500）；
（四）、锂电池外包资料分：铝壳锂电池，钢壳锂电池，软包电池；
（五）、锂电池从正负极资料（添加剂）分：钴酸锂(LiCoO2)电池、锰酸锂（LiMn2O4），磷酸铁锂电池，一次性二氧化锰锂电池
更多分类见下表所列：
分类办法
类别
特色/说明
按照电池外形
圆柱形锂离子电池
现在首要为18650（直径18mm，长度65mm）和26650（直径26mm，长度65mm）两品种型，首要运用于笔记本和电动工具范畴
方形锂离子电池
品种较多，首要运用于手机、数码相机等范畴
扣式锂离子电池
可满意计算机、摄像机等对高比容量和薄型化的要求
按运用温度
高温锂离子电池
首要运用于特种、航天等范畴，民用范畴首要是轿车的GPS范畴
常温锂离子电池
现在商业化的锂离子电池根本丢只能在-20~45℃范围内作业
按电解质的状况
液态锂离子电池
电解质为有机溶剂+锂盐
聚合物的基体首要为HFP-PVDF、PEO、PAN和PMMA等
全固态锂离子电池
还处在实验阶段
按外壳原料
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
按运用范畴
手机锂离子电池
现在市场容量大
数码相机锂离子电池
对电池低温功用要求较高
笔记本电脑锂离子电池
现在以圆柱形为主，随着电脑薄型化的发展，近年来方形电池有代替圆柱形电池的趋势
电动轿车锂离子电池
对电池的各型特性要求最高，现在比较热
按正极资料分类
钴酸锂电池
运用最广，振实密度高，比能量高，电压渠道稳，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，锂离子能够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功用和安稳性。环境友好，但能量密度低、高温功用大
磷酸铁锂电池
比表面积大，能量密度高，循环功用好，资料批量化生产很难到达较高的一致性，低温放电功用欠好
按负极资料分类
石墨
电导性好，结晶度高，具有杰出的层状结构适合Li的脱嵌，容量在300mAh/g以上，充放电功率90%以上，杰出的充放电渠道
软碳
结晶度低，晶粒尺度小，与电解液相容性好，输出电压低，无明显充放电渠道，不可逆容量较高，根本没商业化
硬碳
Li嵌入不会引起胀大，又杰出的充放电循环功用，较高的比容量，可到达400mAh/g以上，而且低温功用好，是抱负的电动轿车电池负极资料，日本已经商业化
钛酸锂
“零应变”资料，电位较高不会形成锂枝晶，现在研讨较热，但由于胀气问题至今未得到大规模运用
硅基
超高的比容量，但由于粉化问题，无法真实运用，仍处于实验室研讨阶段
05
聚合物锂电池
聚合物锂电池所用的正负极资料与液态锂都是相同的，电池的作业原理也根本一致。它们的首要差异在于电解质的不同,锂电池运用的是液体电解质,而聚合物锂电池则以固体聚合物电解质来代替,这种聚合物能够是“干态”的,也能够是“胶态”的,现在大部分选用聚合物胶体电解质。
聚合物锂电池可分为三类：
1、固体聚合物电解质锂电池。电解质为聚合物与盐的混合物，这种电池在常温下的离子电导率低，适于高温运用。
2、凝胶聚合物电解质锂电池。即在固体聚合物电解质中参加增塑剂等添加剂，然后进步离子电导率，使电池可在常温下运用。
3、聚合物正极资料的锂电池。选用导电聚合物作为正极资料，其能量是现有锂电池的3倍，是最新一代的锂电池。由于用固体电解质代替了液体电解质,与液态锂电池比较，聚合物锂电池具有可薄形化、任意面积化与任意形状化等长处，也不会发生漏液与焚烧爆破等安全上的问题，因而能够用铝塑复合薄膜制作电池外壳，然后能够进步整个电池的容量；聚合物锂电池还能够选用高分子作正极资料，其质量比能量将会比现在的液态锂电池进步50％以上。此外,聚合物锂电池在作业电压、充放电循环寿数等方面都比锂电池有所进步。
锂聚合物电池长处：
1、安全功用好
聚合物锂电池在结构上选用铝塑软包装，有别于液态电芯的金属外壳，一旦发生安全隐患，液态电芯简单爆破，而聚合物电芯最多只会气鼓。
2、厚度小，能做得更薄
一般液态锂电选用先定制外壳，后塞正负极村料的办法，厚度做到3.6mm以下存在技术瓶颈，聚合物电芯则不存在这一问题，厚度可做到1mm以下，符合时下手机需求方向。
3、分量轻
聚合物电池分量较同等容量标准的钢壳锂电轻40%，较铝壳电池轻20%。
4、容量大
聚合物电池较同等尺度标准的钢壳电池容量高10～15%，较铝壳电池高5～10%，成为彩屏手机及彩信手机的首选，现在市面上新出的彩屏和彩信手机也大多选用聚合物电芯。
5、内阻小
聚合物电芯的内阻较一般液态电芯小，现在国产聚合物电芯的内阻乃至能够做到35mΩ以下，极大的减低了电池的自耗电，延长手机的待机时刻，彻底能够到达与国际接轨的水平。这种支撑大放电电流的聚合物锂电更是遥控模型的抱负挑选，成为最有期望代替镍氢电池的产品。
6、形状可定制
聚合物电池可依据客户的需求添加或削减电芯厚度，开发新的电芯类型，价格便宜，开模周期短，有的乃至能够依据手机形状量身定做，以充分运用电池外壳空间，提升电池容量。
7、放电特性佳
聚合物电池选用胶体电解质，比较液态电解质，胶体电解质具有平稳的放电特性和更高的放电渠道。
8、保护板规划简单
由于选用聚合物资料，电芯不起火、不爆破，电芯本身具有足够的安全性，因而聚合物电池的保护线路规划可考虑省略PTC和保险丝，然后节省电池本钱。聚合物锂电池在安全性、体积、分量、容量、放电功用方面均具有极大优势。
06
磷酸铁锂电池
从正负极资料锂电池还分为：钴酸锂(LiCoO2)电池、锰酸锂（LiMn2O4），磷酸铁锂电池
Sony公司推出的第一块锂电池中，正极资料是钴酸锂，负极资料为碳。其间，决定电池的可充电最大容量及开路电压的首要是正极资料。
磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极资料的锂电池。锂电池的正极资料有很多种，首要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元资料、磷酸铁锂等。其间钴酸锂是现在绝大多数锂电池运用的正极资料，而其它正极资料由于多种原因，现在在市场上还没有很多生产。磷酸铁锂也是其间一种锂电池。从资料的原理上讲，磷酸铁锂也是一种嵌入/脱嵌进程，这一原理与钴酸锂，锰酸锂彻底相同。磷酸铁锂电池是用来做锂二次电池的,现在首要方向是动力电池，相对NI-MH,Ni-Cd电池有很大优势。
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磷酸铁锂电池的特性
1、超长寿数
长寿数铅酸电池的循环寿数在300次左右，最高也就500次，而磷酸铁锂动力电池，循环寿数到达2000次以上，规范充电（5小时率）运用，可到达2000次。同质量的铅酸电池是“新半年、旧半年、保护保护又半年”，最多也就1—1.5年时刻，而磷酸铁锂电池在同样条件下运用，将到达７－８年。归纳考虑，功用价格比将为铅酸电池的4倍以上。
2、运用安全
磷酸铁锂彻底处理了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，钴酸锂和锰酸锂在强烈的磕碰下会发生爆破对消费者的生命安全构成威胁，而磷酸铁锂以经过严格的安全测试即便在最恶劣的交通事故中也不会发生爆破。
可大电流2C快速充放电，在专用充电器下，1.5C充电40分钟内即可使电池充溢，起动电流可达2C,而铅酸电池现在无此功用。
3、耐高温
磷酸铁锂电热峰值可达350℃—500℃而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。作业温度范围宽广（-20C--＋75C），有耐高温特性磷酸铁锂电热峰值可达350℃—500℃而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。
4、容量
具有比一般电池（铅酸等）更大的容量。可充电池在经常处于充溢不放完的条件下作业，容量会敏捷低于额外容量值，这种现象叫做记忆效应。像镍氢、镍镉电池存在记忆性，而磷酸铁锂电池无此现象，电池不管处于什么状况，可随充随用，无须先放完再充电。
同等标准容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池体积的2/3分量是铅酸电池的1/3。该电池不含任何重金属与稀有金属（镍氢电池需稀有金属），无毒（SGS认证经过），无污染，符合欧洲RoHS规则，为肯定的绿色环保电池证。
5、无记忆效应
锂动力电池的功用首要取决于正负极资料，磷酸铁锂作为锂电池资料是近几年才呈现的事，国内开宣布大容量磷酸铁锂电池是2005年7月。其安全功用与循环寿数是其它资料所无法比较的，这些也正是动力电池最重要的技术指标。1C充放循环寿数达2000次。单节电池过充电压30V不焚烧，穿刺不爆破。磷酸铁锂正极资料做出大容量锂电池更易串联运用。以满意电动车频频充放电的需求。具有无毒、无污染、安全功用好、原资料来源广泛、价格便宜，寿数长等长处，是新一代锂电池的抱负正极资料。
锂电池的正极为磷酸铁锂资料。这种新资料不是以往的锂电池正极材LiCoO2；LiMn2O4；LiNiMO2。其安全功用与循环寿数是其它资料所无法比较的，这些也正是动力电池最重要的技术指标。1C充放循环寿数达2000次。单节电池过充电压30V不焚烧，不爆破。穿刺不爆破。磷酸铁锂正极资料做出大容量锂电池更易并串联运用。
磷酸铁锂电池也有其缺陷：例如磷酸铁锂正极资料的振实密度较小，等容量的磷酸铁锂电池的体积要大于钴酸锂等锂电池，因而在微型电池方面不具有优势。
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在后工业时代，轿车遍及的速度大大超过了咱们的想象，在带来高效便利的一起，很多尾气的排放，也给环境增添了很大压力，而随着石油价格飞涨、二氧化碳排放带来温室效应等问题的凸显，更是迫切需求寻找代替传统能源的新式能源。液态氢、燃料电池等都是好的挑选，但是存在价格高、技术不成熟等问题，一般铅酸电池运用本钱相对较低，但分量重，能量密度低，运用寿数短，还存在潜在的重金属污染等问题。
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采新一代电动车用了新式的磷酸铁锂电池作为其动力核心，这种绿色环保动力具有很多特色和优势：
1、安全性适当高
要作为轿车动力，安全性是压倒一切的首要考虑要素。一般锂电池的安全性尽管能得到根本保证，但是在极端条件下存在起火、爆破的可能性。磷酸铁锂电池作为锂电池的二代产品，本身物理功用安稳，再配合电池组内置的过压、欠压、过流、过充等保护功用，不爆破不起火，是现在全球仅有肯定安全的锂离子电池。由于选用高热安稳性资料和缜密工艺规划，电池安全和可靠性大为增强。与锂电池不妥运用中可能呈现的爆破现象比较，磷酸铁锂电池即便扔在火中也不会发生爆破。高温安稳性可达400—500°C,保证了电池内涵的高安全性;不会因过充、温度过高、短路、碰击而发生爆破或焚烧。经过严格的安全测试，即便在最恶劣的交通事故中也不会发生爆破。
2、寿数长本钱低
作为动力电池，运用寿数(循环功用)与总体运用本钱密切相关，和一般锂电池500次左右的循环运用寿数比较，磷酸铁锂电池在室温下可充放电循环1500次，容量坚持率95%以上，而50%容量的循环寿数更是到达了2000次以上，电池的持续里程寿数大于50万公里，能够运用五年左右，是铅酸电池的8倍，镍氢电池的3倍，是钴酸锂电池的4倍左右。再加上其生产制形本钱本身就低于一般锂电池，无疑能大大下降电动车的运用和保护本钱。
一起磷酸铁锂电池放电功用也十分优异，功率曲线平稳，抗过放才能强，一般锂电电芯在低于3.2V后，再放电便是过放，可能会导致作废。但是磷酸铁锂电池在2.8V的时候还有能量释放，低于2.5V都不存在作废的问题。
3、运用处理便利
咱们知道，镍氢、镍镉电池存在较强的记忆效应，一般锂电池也有必定的记忆效应问题，需求尽量“满充溢放”，会给电动车日常运用带来不便，而磷酸铁锂电池无此现象，自放电小;无记忆效应，电池不管处于什么状况，可随充随用，无须先放完再充电，一起该电池快速充电特性优异，用专用充电器快充，半小时能足够95%左右。电池寿数终结后的处理问题，也值得咱们重视，磷酸铁锂电池不含任何重金属与稀有金属，无毒，无污染，符合规则，为肯定的绿色环保电池，铅酸电池中存在着很多的铅，在其抛弃后若处理不妥，将对环境构成二次污染，而磷酸铁锂资料不管在生产及运用中，均无污染。
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