基本介紹
- 中文名：鋰離子動力電池
- 外文名：lithium ion power battery
- 正極用：磷酸鐵鋰、鈦酸鋰、鈷酸鋰等
- 主要：動力電源之一
簡介,特點,電壓高,重量輕,壽命長,範圍寬,無記憶,動力電池,無污染,安全隱患,價格高,結構,套用,套用群體,舉例,科學研究,構件性能,保存方法,如何充電,開始充電,正確做法,電池新寵,
簡介
鋰離子動力電池在行動電話、攜帶型計算機、攝像機、照相機等、部分代替了傳統電池。大容量鋰離子電池已在電動汽車中試用，將成為21世紀電動汽車的主要動力電源之一，已經在人造衛星、航空航天和儲能方面得到套用。
特點
電壓高
是鎳鎘電池,鎳氫電池的3倍，鉛酸電池的近2倍，這也是鋰離子動力電池比能量高的一個重要原因。因此組成相同電壓的動力電池組時，鋰離子動力電池使用的串聯數目會大大少於鉛酸電池和鎳氫電池。如果動力電池中單體電池數量越多，電池組中單體電池的一致性要求就越高，壽命就越不好做，在實際使用過程中電池組有問題分析後，一般是其中一、兩個單體電池出問題然後導致整組電池出現問題，因此不難理解為什麼48V的鉛酸電池比36V的鉛酸電池反饋要高，從這個角度上講鋰電更適合動力電池的使用。例如36V 的鋰電只需要10個單體，而36V鉛酸電池需要18個單體電池，即3隻12V的電池組，而每隻12V的鉛酸電池有六個單格即六個單體電池組成。
小型鋰離子動力電池
小型鋰離子動力電池重量輕
比能量大，高達150Wh/Kg,是鎳氫電池的2倍，鉛酸電池的4倍, 因此重量是相同能量的鉛酸電池的三分之一到四分之一，從這個角度講鋰電消耗的資源就少，而且由於錳酸鋰電池中所用元素的儲量比較多，因此相對鉛酸、鎳氫電池可能會進一步漲價，鋰離子動力電池成本反而是進一步降低的。電動腳踏車用鋰離子電池重量為2.2-4公斤，鉛酸電池的重量為12-20公斤，鋰電重量約為鉛酸電池的四分之一到三分之一，比鉛酸電池輕約10公斤（36V，10Ah電池），電池重量減輕了70%,整車總重量至少減輕了20%。加上一般鋰電車都是簡易款的電動腳踏車，由於電池和整車輕，相同電壓、相同容量的電池行駛里程更長，普通的電動車重量在40公斤以上,而鋰離子動力電池電動腳踏車重量在7到26 公斤之間。女士和老年人都可以輕易搬動,人力騎行也十分輕便，運動休閒兼得。 （3）體積小，高達到400Wh/L，體積是鉛酸電池的二分之一到三分之一。提供了更合理的結構和更美觀的外形的設計條件、設計空間和可能性。現階段由於鉛酸電池體積、重量的限制，設計師們的設計思想受到極大約束，導致現階段的電動腳踏車在結構和外觀上“千車一面”、雷同相似、單調劃一。而鋰離子電池的使用，給設計師們提供了展示設計思想和設計風格的更大空間及條件。當然同時也導致電動腳踏車用鋰離子動力電池尺寸多種多樣，不利於鋰動力電池行業的發展。鋰動力電池行業也需要儘快制定電動腳踏車用鋰離子電池國家標準，加速在電動腳踏車領域鋰電對鉛酸電池的替代。當然2013年鋰電池是在不斷發展過程中的不同材料、不同工藝電池的體積有很大的差別，如何統一也是一個難點。
壽命長
循環次數可達1000~3000次。以容量保持70%計，電池組100%充放電循環次數可以達到200次以上，使用年限可達5~8年,壽命約為鉛酸電池的兩到三倍。隨著技術的革新，設備的提高，電池的壽命會越來越長，性價比會越來越高。 （5） 自放電率低，每月不到5%。
範圍寬
低溫性能好，鋰離子動力電池可在-40℃～+55℃之間工作，而水溶液電池(比如鉛酸電池、鎳氫電池)在低溫時，由於電解液流動性變差會導致性能大大降低。
無記憶
所以每次充電前不必像鎳鎘電池、鎳氫電池一樣需要放電，可以隨時隨地的進行充電。電池充放電深度，對電池的壽命影響不大，可以全充全放，我們循環測試就是全充全放的。
動力電池
除了鋰離子電池電壓高之外，由於鋰離子動力電池組的保護板能夠對每一個單體電池進行高精度監測，低功耗智慧型管理，具有完善的過充電、過放電、溫度、過流、短路保護、鎖定自恢復功能以及可靠的均衡充電功能，大大的延長了電池的使用壽命。而其他類型電池（比如鉛酸電池）在使用過程中由於電池一致性、充電器等問題，易產生電池過充、過放等問題（由於成本等各方面的原因，鉛酸電池組內不能對每一個單體電池進行監測和保護）。
鋰離子動力電池
鋰離子動力電池無污染
鋰離子動力電池中不存在有毒物質，因此被稱為“綠色電池”，國家重點扶持。而鉛酸電池和鎘鎳電池由於存在有害物質鉛和鎘，國家必然會加強監管和治理（鉛酸電池出口退稅的取消，鉛資源稅的增加，鉛酸電動腳踏車出口的受限），相應企業的成本也會增加。雖然鋰電池沒有污染，但從資源節約的角度考慮。鋰離子動力電池的回收，回收中的安全性，回收的成本也都需要考慮。
安全隱患
由於鋰離子動力電池能量高，材料穩定性差，鋰電容易出現安全問題，2013年世界上知名的手機和筆記本電腦電池（正極材料為鈷酸鋰和三元材料）生產企業，日本三洋、索尼等公司要求電池的爆噴率控制在40個ppb(十億分之一)以下，國內公司能達到ppm(百萬分之一)級的就已經不錯了，而動力電池的容量是手機電池容量的上百倍以上，因此對鋰電的安全性要求極高。雖然鈷酸鋰電池和三元材料的電池具有重量更輕，體積更小等優點，但它們是不適合作動力電池套用於電動車的。混晶錳酸鋰和磷酸亞鐵鋰的鋰離子電池是最有前景的鋰離子動力電池。
價格高
相同電壓和相同容量的鋰離子動力電池價格是鉛酸的3-4倍。隨著鋰離子動力電池市場的擴大，成本的降低，性能的提高，以及鉛酸電池價格的提高，鋰離子動力電池的性價比是有可能超過鉛酸電池的。
結構
鋰離子動力電池通常有兩種外型：圓柱型和長方型。 圓柱型電池內部採用螺旋繞制結構，用一種非常精細而滲透性很強的聚乙烯或聚丙烯或聚乙烯與聚丙烯複合的薄膜隔離材料在正、負極間間隔而成。而長方形則是通過疊片這種形式，即一正極上放置隔膜然後負極，以此類推，疊加而成。包括由含鋰的材料（如鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰的一種或幾種混合使用等）組成的鋰離子收集極及由鋁薄膜組成的電流收集極。負極由層狀碳材料組成的鋰離子收集極和銅薄膜組成的電流收集極組成。電池內充有有機電解質溶液。另外還裝有安全閥和PTC元件，以便電池在不正常狀態及輸出短路時保護電池不受損壞。
單節鋰電池的電壓為3.6V，容量也不可能無限大，因此，常常將單節鋰電池進行串、並聯處理，組成電池組，以滿足不同場合的要求。
1.抑制電池極化，減少熱效應，提高倍率性能；
2.降低電池內阻，並明顯降低了循環過程的動態內阻增幅；
3.提高一致性，增加電池的循環壽命；
4.提高活性物質與集流體的粘附力，降低極片製造成本；
5.保護集流體不被電解液腐蝕；
6.改善磷酸鐵鋰、鈦酸鋰材料的加工性能。
套用
套用群體
隨著二十世紀微電子技術的發展，小型化的設備日益增多，對電源提出了很高的要求。鋰離子動力電池隨之進入了大規模的實用階段。 最早得以套用於心臟起搏器中。由於鋰離子動力電池的自放電率極低，放電電壓平緩。使得起搏器植入人體長期使用成為可能。
鋰離子動力電池一般有高於3.0伏的標稱電壓，更適合作積體電路電源。二氧化錳電池，就廣泛用於計算機，計算器，照相機、手錶中。
2013年，鋰離子動力電池大量套用在手機上，可以說是最大的套用群體。
舉例
1、作電池組維修代換品有許多電池組：如筆記本電腦上用的那種，經維修發現，此電池組損壞時僅是個別電池有問題。可以選用合適的單節鋰電池進行更換。
2、製作高亮微型電筒筆者曾用單節3.6V1.6AH鋰電池配合一個白色超高亮度發光管做成一隻微型電筒，使用方便，小巧美觀。而且由於電池容量大，平均每晚使用半小時，至今已用兩個多月仍無需充電。
3、代替3V電源。由於單節鋰電池電壓為3.6V。因此僅需一節鋰電池便可代替兩節普通電池，給收音機、隨身聽、照相機等小家電產品供電，不僅重量輕，而且連續使用時間長。
科學研究
為了開發出性能更優異的品種，人們對各種材料進行了研究。從而製造出前所未有的產品。比如，鋰二氧化硫電池和鋰亞硫醯氯電池就非常有特點。它們的正極活性物質同時也是電解液的溶劑。這種結構只有在非水溶液的電化學體系才會出現。所以，鋰電池的研究，也促進了非水體系電化學理論的發展。除了使用各種非水溶劑外，人們還進行了聚合物薄膜電池的研究。
21世紀，科學家研發了一種新型的鹽酸鐵鋰離子動力電池。磷酸鐵鋰離子動力電池可歸納下述特點。 1 高效率輸出：標準放電為2～5C、連續高電流放電可達10C，瞬間脈衝放電（10S）可達20C；2 高溫時性能良好：外部溫度65℃時內部溫度則高達95℃，電池放電結束時溫度可達160℃，電池的結構安全、完好；3 即使電池內部或外部受到傷害，電池不燃燒、不爆炸、安全性最好；4 極好的循環壽命，經500次循環，其放電容量仍大於95%；5 過放電到零伏也無損壞；6 可快速充電；7 低成本；8 對環境無污染。
鋰離子動力電池構件性能
(1)電池的開路電壓 (2)電池的內阻
(3)電池的工作電壓
(4)充電電壓充電電壓是指二次電池在充電時，外電源加在電池兩端的電壓。充電的基本方法有恆電流充電和恆電壓充電。一般採用恆電流充電，其特點時在充電過程中充電電流恆定不變。隨著充電的進行，活性物質被恢復，電極反應面積不斷縮小，電機的極化逐漸增高。
(5)電池容量電池容量是指從電池獲得電量的量，常用C表示，單位常用Ah或mAh表示。容量是電池電性能的重要指標。電池的容量通常分為理論容量、實際容量和額定容量。電池容量由電極的容量決定，若電極的容量不等，電池的容量取決於容量小的那個電極，但決不是正負極容量之和。
(6)電池的貯存性能和壽命化學電源的主要特點之一是在使用時能夠放出電能，不用時能貯存電能。所謂貯存性能對於二次電池來說為充電保持能力。對於二次電池，使用壽命時衡量電池性能好壞的一個重要參數。二次電池經過一次充電和放電，稱為一個周期（或已此循環）。在一定的充放電制度下，電池容量達到某一規定值之前電池能經受的充放電次數稱為二次電池的使用周期。鋰離子動力電池具有優良的貯存性能和長的循環壽命。
（7）保護電路 由兩個場效應管和專用保護集成塊S--8232組成，過充電控制管 FET2和過放電控制管FET1串聯於電路，由保護IC監視電池電壓並進行控制，當電池電壓上升至4.2V時，過充電保護管FET1截止，停止充電。為防止誤動作，一般在外電路加有延時電容。當電池處於放電狀態下，電池電壓降至2.55V時，過放電控制管FET1截止，停止向負載供電。過電流保護是在當負載上有較大電流流過時，控制FET1使其截止，停止向負載放電，目的是為了保護電池和場效應管。過電流檢測是利用場效應管的導通電阻作為檢測電阻，監視它的電壓降，當電壓降超過設定值時就停止放電。在電路中一般還加有延時電路，以區分浪涌電流和短路電流。該電路功能完善，性能可靠，但專業性強，且專用集成塊不易購買，業餘愛好者不易仿製。 因為鋰離子動力電池過充或過放可能會導致爆炸並造成人員傷害，所以使用這類電池時，安全是主要關心的問題。因此，商用鋰離子電池組通常包括象DS2720這樣的保護電路(圖7)。DS2720提供了可充電鋰離子動力電池
所需的所有保護功能，如：在充電時保護電池、防止電路過流、通過限制電池的放電電壓延長電池壽命。
保存方法
鋰離子動力電池需充足電後保存。在20℃下可儲存半年以上，可見鋰離子動力電池適宜在低溫下保存。曾有人建議將充電電池放入冰櫃冷藏室內保存，的確是個好主意。 鋰離子動力電池存在自放電現象，長時間保存會導致電池過放電而破壞電池內部結構，減少電池壽命。因此長期保存的鋰離子動力電池應當每3~6個月補電一次，即充電到電壓為3.8~3.9V（鋰電池最佳儲存電壓為3.85V左右）為宜。
正確保存
正確保存注意事項
鋰離子電池的使用，注意三點：
如何充電
在使用鋰離子動力電池中應注意的是，電池放置一段時間後則進入休眠狀態，此時容量低於正常值，使用時間亦隨之縮短。但鋰離子動力電池很容易激活，只要經過3—5次正常的充放電循環就可 激活 電池，恢復正常容量。由於鋰電池本身的特性，決定了它幾乎沒有記憶效應。因此用戶新鋰電池在激活過程中，是不需要特別的方法和設備的。不僅理論上是如此，從實踐來看，從一開始就採用標準方法充電這種“自然激活”方式是最好的。
對於鋰離子動力電池的“激活”問題，眾多的說法是：充電時間一定要超過12小時，反覆做三次，以便激活電池。這種“前三次充電要充12小時以上”的說法，明顯是從鎳電池（如鎳鎘和鎳氫）延續下來的說法。所以這種說法，可以說一開始就是誤傳。鋰離子動力電池和鎳電池的充放電特性有非常大的區別，所有嚴肅的正式技術資料都強調過充和過放電會對鋰電池、特別是液體鋰離子電池造成巨大的傷害。因而充電最好按照標準時間和標準方法充電，特別是不要進行超過12個小時的超長充電。 此外，鋰離子動力電池或充電器在電池充滿後都會自動停充，並不存在鎳電充電器所謂的持續10幾小時的“涓流”充電。也就是說，如果你的鋰離子動力電池在充滿後，放在充電器上也是白充。而誰都無法保證電池的充放電保護電路的特性永不變化和質量的萬無一失，所以電池將長期處在危險的邊緣徘徊。這也是反對長充電的另一個理由。
鋰離子動力電池
鋰離子動力電池在對某些機器上，充電超過一定的時間後，如果不去取下充電器，這時系統不僅不停止充電，還將開始放電-充電循環。也許這種做法的廠商自有其目的，但顯然對電池的壽命而言是不利的。同時，長充電需要很長的時間，往往需要在夜間進行，而以電網的情況看，許多地方夜間的電壓都比較高，而且波動較大。前面已經說過，鋰離子動力電池是很嬌貴的，它比鎳電在充放電方面耐波動的能力差得多，於是這又帶來附加的危險。
此外，不可忽視的另外一個方面就是鋰離子動力電池同樣也不適合過放電，過放電對電池同樣也很不利。這就引出下面的問題。
開始充電
因為充放電的次數是有限的，所以應該將鋰電池的電儘可能用光再充電。但是關於鋰離子電池充放電循環的實驗表數據列出如下：
循環壽命 (10%DOD):>1000次
循環壽命 (100%DOD):>200次 其中DOD是放電深度的英文縮寫。從表中可見，可充電次數和放電深度有關，10%DOD時的循環壽命要比100%DOD的要長很多。當然如果折合到實際充電的相對總容量：10%*1000=100，100%*200=200，後者的完全充放電還是要比較好一些，在正常情況下，你應該有保留地按照電池剩餘電量用完再充的原則充電，但假如預計第2天不可能堅持整個白天的時候，就應該及時開始充電，當然你如果願意背著充電器到辦公室又當別論。
而需要充電以應付預計即將到來的會導致通訊繁忙的重要事件的時候，即使在電池尚有很多餘電時，那么也只管提前充電，因為並沒有真正損失“1”次充電循環壽命，也就是“0.x”次而已，而且往往這個x會很小。
電池剩餘電量用完再充的原則並不是走向極端。和長充電一樣流傳甚廣的一個說法，就是“儘量把機器的電池的電量用完，最好用到自動關機”。這種做法其實只是鎳電池上的做法，目的是避免記憶效應發生，不幸的是它也在上鋰離子動力電池流傳之今。曾經有人因為機器電池電量過低的警告出現後，仍然不充電繼續使用一直用到自動關機的例子。結果這個例子中的機器在後來的充電及開機中均無反應，不得不送客服檢修。這其實就是由於電
池因過度放電而導致電壓過低，以至於不具備正常的充電和開機條件造成的。
正確做法
歸結起來，對鋰離子動力電池在使用中的充放電問題最重要的提示是：1、按照標準的時間和程式充電，即使是前三次也要如此進行； 2、當出現機器電量過低提示時，應該儘量及時開始充電； 3、鋰電池的激活並不需要特別的方法，在機器正常使用中鋰電池會自然激活 。如果你執意要用流傳的“前三次2小時長充電 激活 ”方法，實際上也不會有效果。
鋰離子動力電池
鋰離子動力電池因此，所有追求12小時超長充電和把鋰離子動力電池用到自動關機的做法，都是錯誤的。
4、使用鋰電池注意防火
有許多人或許是從手機才開始熟悉鋰離子動力電池的。其實，它在許多家電中都有使用。毋庸置疑，鋰離子動力電池高效、體輕等等優點正使其迅速地推廣套用開來。
鋰電池具有體輕、高效、耐低溫（－40℃）等優點，0．3mm厚、郵票大小的鋰電池可連續使用5年以上，廣泛套用於許多高檔家電和手機中。
鋰離子動力電池不同於現用的錳電池和鹼性乾電池的氯化鋅和氫氧化鉀水溶電解液，它使用的是有機溶媒鋰離子動力電池正極採用二氧化錳、氟化鉛、氯化亞硫等材料。負極採用的鋰金屬箔同一般電池負極使用的氯化鋅相比，離子化傾向強、正負極電壓差大，這樣提高了鋰離子動力電池的工作效能。
但是，鋰離子動力電池在使用過程中常常會出現發熱、燃燒現象，輕者影響主機使用，重者還會燒毀主機引起火災。日本已發生多起因鋰離子動力電池發熱燃燒引起的家庭火災事故。
那么鋰離子動力電池為什麼會發熱、燃燒呢？原來鋰離子動力電池中的許多材料與水接觸後，可發生劇烈的化學反應並釋放出大量熱能導致發熱、燃燒現象。鋰電池正極的二氧化錳，只沾一小滴水便可出現發熱現象。鋰電池中的氯化亞硫與水接觸後，在生成鹽酸和二氧化硫的同時釋放熱能，幾種因素使鋰電池成為生活中的“火種”，因此人們在使用鋰電池時一定要注意防水、防潮濕。各種主機停用後，應取下鋰電池置於乾燥、低溫處妥善保管，以預防和避免因鋰電池使用不當而引起家庭火災事故的發生。
電池新寵
隨著能源的匱乏及全社會對環境污染的嚴格控制，動力車、混合動力車已成為當今汽車業的一個亮點，而其採用何種電池作動力，也成為2013年必須進行抉擇的當務之急。鉛酸、鎳氫、鎳鎘電池質量大，能量密度小，環保效果差;液態鋰離子電池雖然能量密度大，但安全性差，充放電管理也成為新問題;燃料電池成本高，壽命短，交換介質觸媒有待改進提高，2013年還不具備商業價值。其他類型的燃料電池還需要改進提高，產業化等問題有待解決。所以，2013年聚合物鋰離子電池便成了脫穎而出的新寵。
聚合物鋰離子電池基本具備了動力電源必須具備的3個條件：1.具有高安全性能，2.適合於大功率充放電，3.高低溫環境下仍能繼續工作。
作為動力電源，其安全性能必然占據著首要位置。動力電源首先不應當是“定時炸彈”，另外在使用過程中應能適應各種惡劣環境。2013年，國內外鋰電池的安全性能一般通過穿刺試驗來檢驗。浙江東升電池很好地解決了電池的安全性能問題，測試結果表明，該公司生產的聚合物鋰離子電池穿刺時穿刺部位略微升溫，穿刺後的電池仍能正常工作。試驗表明，該電池隔離膜在異常情況下有著特殊的閉孔性能，在一定溫度下可能發生低聚反應，局部產生高電阻薄膜。這種電池在過充或過放試驗中也表現出較高的安全性能。
動力電源的另一個重要技術指標是大電流充放電性能，也就是動力源的功率要大。汽車高速行駛時所需要的動力在40kW以上，因此電池放電時的電流一般很大，充電時為了在短時間內充滿，也要求大電流充電。大功率電池並非由小功率電池的簡單增加來獲取，電池材料選配要得當，結構設計要合理，必要時還要設定散熱系統，才能保證電池的特性。浙江東升電池屬於多孔態聚合物鋰離子電池，它比起純固態或凝膠態聚合物鋰離子電池有一定的優勢。所謂多孔態電池其隔膜是三維多孔結構，電極本身也是多孔結構，因此電極反應的真實表面積比巨觀表面積大許多，儘管電解液中不存在游離態電解液，但是離子的導電通道多且離子遷移路程較短，因而電池工作時可以放出較大電流，而且產生的熱量相對較小。該電池的另一個特點是工作溫度範圍寬，可在-50℃～+80℃範圍內工作，尤其在低溫-50℃下放電率可以達到34%。
作為動力車使用的電源還有很多需要配套解決的問題，如快速充電性能、電池的均衡管理和保護電路的開發、充電器的開發、CAN(控制器區域網路)匯流排的設計等。2013年很多廠商都在著手相關技術和產品的開發研製工作，但要想使其得以快速套用推廣則需要一個公共平台，整車廠、電池廠、充電器廠需要整合，不能單打獨鬥，閉門造車，以致生產的產品無法得到實際套用。國家在此方面也投入了大量的人力和資金，雖然在研發和產品上也取得了進展，但綜合進度並不是很理想，投資分散，技術起點參差不齊，思路存在千差萬別。在動力車的核心部分———動力電源方面如果不跳出常規，就很難有大的突破。
2013年就動力電源的發展而言，電池的價位並非最關鍵問題，關鍵是安全問題。材料業和IC產業的技術發展都展現出了行業走勢，產品性能將更好，價位將越來越低。當然關鍵材料及高端材料2013年還是本行業內所必須解決的問題，如耐過充過能材料、快速充電儲能材料等。充電設備的開發也要跟上，要開發管理電路、均衡電路、保護電路與電池和充電器形成一體化產品，如果能夠有計畫有目標地攻克和解決，從技術到產品都將可以達到一個新高度。
