综述锂离子电池基础知识

 

　　锂离子电池名称简介

　　锂离子电池（Li-ion Batteries）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，以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。锂电池的正极材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。这种电池也可以充电，但循环性能不好，在充放电循环过程中，容易形成锂枝晶，造成电池内部短路，所以一般情况下这种电池是禁止充电的。锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池。是现代高性能电池的代表。

　　锂离子电池的广泛用途

　　发展高科技的目的是为了使其更好的服务于人类。锂离子电池自1990年问世以来，因其卓越的性能得到了迅猛的发展，并广泛地应用于社会。锂离子电池以其它电池所不可比拟的优势迅速占领了许多领域，象大家熟知的移动电话、笔记本电脑、小型摄像机等等，且越来越多的国家将该电池应用于军事用途。应用表明，锂离子电池是一种理想的小型绿色电源。

　　锂离子电池的主要构成

　　（1）正极--活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂，现在又出现了镍钴锰酸锂材料，电动自行车则用磷酸铁锂，导电集流体使用厚度10--20微米的电解铝箔

　　（2）隔膜--一种特殊的复合膜，可以让离子通过，但却是电子的绝缘体

　　（3）负极--活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔

　　（4）有机电解液--溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，聚合物的则使用凝胶状电解液

　　（5）电池外壳--分为钢壳（现在方型很少使用）、铝壳、镀镍铁壳（圆柱电池使用）、铝塑膜（软包装）等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端

　　锂离子电池的优越性能

　　我们经常说的锂离子电池的优越性是针对于传统的镍镉电池（Ni/Cd）和镍氢电池（Ni/MH）来讲的。那么，锂离子电池究竟好在哪里呢？

　　（1）工作电压高

　　（2）比能量大

　　（3）循环寿命长

　　（4）自放电率低

　　（5）无记忆效应

　　（6）无污染

　　以下是镍镉、镍氢、锂离子电池性能的对比：

　　技术参数镍镉电池镍氢电池锂离子电池

　　工作电压（V）1.21.23.6

　　重量比能量（Wh/Kg）5065105-140

　　体积比能量（Wh/l）150200300

　　充放电寿命（次）5005001000

　　自放电率（%/月）25-3030-356-9

　　有无记忆效应有有无

　　有无污染有无无

　　（注：充电速率均为1C）

　　锂离子电池的工作原理

　　锂系电池分为锂电池和锂离子电池。目前手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池，通常人们俗称其为锂电池，而真正的锂电池由于危险性大，很少应用于日常电子产品。锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为"摇椅电池".

　　充电是电池重复使用的重要步骤，锂离子电池的充电过程分为两个阶段：恒流快充阶段和恒压电流递减阶段。恒流快充阶段，电池电压逐步升高到电池的标准电压，随后在控制芯片下转入恒压阶段，电压不再升高以确保不会过充，电流则随着电池电量的上升逐步减弱到设定的值，而终完成充电。电量统计芯片通过记录放电曲线可以抽样计算出电池的电量。锂离子电池在多次使用后，放电曲线会发生改变，锂离子电池虽然不存在记忆效应，但是充、放电不当会严重影响电池性能。

　　锂离子电池的组装过程

　　锂离子电池的工艺技术非常严格、复杂，这里只能简单介绍一下其中的几个主要工序。

　　（1）制浆

　　用专门的溶剂和粘接剂分别与粉末状的正负极活性物质混合，经高速搅拌均匀后，制成浆状的正负极物质。

　　（2）涂膜

　　将制成的浆料均匀地涂覆在金属箔的表面，烘干，分别制成正负极极片。

　　（3）装配

　　按正极片--隔膜--负极片--隔膜自上而下的顺序放好，经卷绕制成电池极芯，再经注入电解液、封口等工艺过程，即完成电池的装配过程，制成成品电池。

　　（4）化成

　　用专用的电池充放电设备对成品电池进行充放电测试，对每一只电池都进行检测，筛选出合格的成品电池，待出厂。

　　锂离子电池的安全特性

　　锂离子电池已非常广泛的应用于人们的日常生活中，所以它的安全性能应该是锂离子电池的项考核指标。对于锂离子电池安全性能的考核指标，国际上规定了非常严格的标准，一只合格的锂离子电池在安全性能上应该满足以下条件。

　　（1）短路：不起火，不爆炸

　　（2）过充电：不起火，不爆炸

　　（3）热箱试验：不起火，不爆炸（150℃恒温10min）

　　（4）针剌：不爆炸（用Ф3mm钉穿透电池）

　　（5）平板冲击：不起火，不爆炸（10kg重物自1M高处砸向电池）

　　（6）焚烧：不爆炸（煤气火焰烧烤电池）

　　锂离子电池安全特性是如何实现的？

　　为了确保锂离子电池安全可靠的使用，们进行了非常严格、周密的电池安全设计，以达到电池安全考核指标。

　　（1）隔膜135℃自动关断保护

　　采用国际先进的Celgard2300PE-PP-PE三层复合膜。在电池升温达到120℃的情况下，复合膜两侧的PE膜孔闭合，电池内阻增大，电池内部升温减缓，电池升温达到135℃时，PP膜孔闭合，电池内部断路，电池不再升温，确保电池安全可靠。

　　（2）向电液中加入添加剂

　　在电池过充，电池电压高于4.2v的条件下，电液添加剂与电液中其他物质聚合，电池内阻大副增加，电池内部形成大面积断路，电池不再升温。

　　（3）电池盖复合结构

　　电池盖采用刻痕防爆结构，电池升温时，电池内部活化过程中所产生的部分气体膨胀，电池内压加大，压力达到一定程度刻痕破裂、放气。

　　（4）各种环境滥用试验

　　进行各项滥用试验，如外部短路、过充、针刺、平板冲击、焚烧等，考察电池的安全性能。同时对电池进行温度冲击试验和振动、跌落、冲击等力学性能试验，考察电池在实际使用环境下的性能情况。

　　锂离子电池是一种新型绿色环保电池

　　"爱护环境，保护地球"是我们每一个人义不容辞的责任。如何把我们的环境理念在行动上反应出来呢？

　　作为电池消费者，应该购买、使用新型绿色环保电池；作为电池制造商，应该生产新型绿色环保电池。只有经过大家的共同努力，才能创建、保护我们美丽和谐的自然环境。

　　新型绿色环保电池是指近年来已投入使用或正在研制开发的一类高性能、无污染的电池。目前已经大量使用的锂离子电池、金属氢化物镍电池和正在推广使用的无汞碱性锌锰电池以及正在研制开发的锂或锂离子塑料电池、燃料电池、电化学贮能超级电容器都属于新型绿色环保电池的范畴。此外，目前已广泛应用的利用太阳能进行光电转换的太阳电池（又称光伏发电），也属于这一范畴。