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锂离子电池

来源：蓝泰阳作者：admin浏览次数：2662发布时间：2023-02-21 20:19:08

基于德州大学奥斯汀分校 John Goodenough 教授的研究，索尼公司在 1991 年将锂离子电池商业化。迄今为止，离子电池已经成为世界上产量最大的电池。在2013 年,离子圆柱形电芯生产量约6.6亿AH(安时)，软包电芯高达7亿AH(安时)

由于能量密度高，锂离子电池很快成为小型电子器件电源的最佳选择。这也就意味着，提供同样的能量，锂离子电池只需要镍氢电池一半的体积和重量。在移动电源方面，比如手机、笔记本电脑，高能量密度意味着更长的运行时间。锂离子电池是如何工作的呢? 事实上，和其他电池一样，锂离子电池也需要集流体，离子也随充放电过程在正负极之间传输。在锂离子电池中，充放电过程中伴随着能量流的形成: 充电过程，锂离子从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极: 放电时，锂离子从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极(见图 7.3)。离子电池充放电这一点和常识相反: 放电时，离子从负极传输到正极。图7.3为充电过程示意图，离子从正极材料进入电解液，经过隔膜再进入电解液，最后从电解液进入负极。这个过程在负极铜箔和正极集流体之间产生电压差。

相对于镍基电池和铅酸电池，锂离子电池具有较高的工作电压。通常情况下，镍氢电池和镍隔电池的工作电压为1.2~1.5 V，而离子电池的工作电压一般为3.2~3.8 V。工作电压高就意味着达到相同的组装电压，锂离子电池需要更少的电芯。例如组装350V电压的模组，镍氢电池需要约292 块电芯(350V/1.2V=292)，然而锂离子电池仅需要98块(350V/3.6V=98)。

除高压与高能量密度以外，锂离子电池还具有较低的自放电率。也就是说，电池储存一段时间后，锂离子电池的容量损失要比别的电池少很多。根据锂离子电池类型不同，其平均每月自放电率大约为1%一5%容量损失分为两种: 可逆性容量损失和永久性容量损失。可逆性容量损失通过充电可恢复，而永久性容量损失则无法恢复。几乎所有的锂离子电池都有可逆性和永久性容量损失。

另外，相对于其他电池，锂离子电池具有非常好的循环寿命。铅酸电池的完全充放电循环寿命约为 300~500 圈，而离子电池则达上千次。如果电池每次仅用80%的总能量，则锂离子电池的循环寿命可高达数千次。

表 7.5 总结了目前最常用到的锂离子电池种类、电化学性能和价格等信息，包括镍钻锰三元材料(NMC)电池、镍钻铝三元材料(NCA)电池磷酸铁锂(LFP)电池、钛酸锂(LTO)电池、锰酸锂（LMO）电池以及钴酸锂（LCO）电池。

锂离子电池电芯的组成较少，只有五部分，与电芯相关的材料约10~20种(见图 7.4)。电池包括正极材料、负极材料以及相对应的集流体，正负极之间通过隔膜隔离，其主要成分为聚丙烯和聚乙烯塑料。正负极材料涂覆在集流体上与隔膜通过卷曲或叠片形成卷芯，然后装进金属壳或塑料膜内，再经过电解液注入等工序后便将金属壳或者塑料膜完全密封，随后便可移至下一个电芯工序。图 7.5 显示了锂离子电池的主要部件与成本的关系。

表7.5不同锂离子电池参数

	磷酸铁锂离子电池	锰酸铁锂离子电池	钛酸铁锂离子电池	钴酸铁锂离子电池	镍钴铝三元锂离子	镍钴锰三元锂离子电池
英文缩写	LFP	LMO	LTO	LCO	NCA	NMC
比能量	80~130	105~120	70	120~150	80~220	140~130
能量密度	220~250	250~265	130	250~450	210~600	325
比功率(Wkg)	1400~2400	1000	750	600	1500~1900	500~3000
功率密度	4500	2000	1400	1200~3000	4000~5000	6500
电芯电压	3.2~3.3	3.8	2.2~2.3	3.6~3.8	3.6	3.6~3.7
循环寿命	1000~2000	>500	>4000	>700	>1000	>1000~4000
自放电	<1%	5%	2%~10%	1%~5%	2%~10%	1%
成本价格	400~1200	400~900	600~2000	250~450	600~1000	500~900
工作温度	-20~60C	-20~60C	-40~55C	-20~60C	-20~60C	-20~55