鉅大LARGE | 點擊量：1606次 | 2019年06月14日
鋰離子動力電池簡介
簡介
鋰離子動力電池是20世紀開發(fā)成功的新型高能電池。這種電池的負極是金屬鋰，正極用MnO2，SOCL2，(CFx)n等。70年代進入實用化。因其具有能量高、電池電壓高、工作溫度范圍寬、貯存壽命長等優(yōu)點，已廣泛應用于特種和民用小型電器中，如移動電話、便攜式計算機、攝像機、照相機等、部分代替了傳統(tǒng)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，并將在人造衛(wèi)星、特種航天和儲能方面得到應用。
特點
（1）單體電池工作電壓高達3.7V，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(lián)數目會大大少于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后，一般是其中一、兩個單體電池出問題然后導致整組電池出現(xiàn)問題，因此不難理解為什么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只12V的電池組，而每只12V的鉛酸電池有六個單格即六個單體電池組成。
（2）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，而且由于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。電動自行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自行車，由于電池和整車輕，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自行車重量在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，運動休閑兼得。（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?，F(xiàn)階段由于鉛酸電池體積、重量的限制，設計師們的設計思想受到極大約束，導致現(xiàn)階段的電動自行車在結構和外觀上“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自行車用鋰離子動力電池尺寸多種多樣，不利于鋰動力電池行業(yè)的發(fā)展。鋰動力電池行業(yè)也需要盡快制定電動自行車用鋰離子電池國家標準，加速在電動自行車領域鋰電對鉛酸電池的替代。當然目前鋰電池是在不斷發(fā)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(tǒng)一也是一個難點。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
（4）循環(huán)壽命長，循環(huán)次數可達1000次。以容量保持60%計，電池組100%充放電循環(huán)次數可以達到600次以上，使用年限可達3-5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%。
（6）允許工作溫度范圍寬，低溫性能好，鋰離子動力電池可在-20℃～+55℃之間工作，尤其適合低溫使用，而水溶液電池(比如鉛酸電池、鎳氫電池)在低溫時，由于電解液流動性變差會導致性能大大降低。
（7）無記憶效應，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(huán)測試就是全充全放的。
（8）特別適合用于動力電池，除了鋰離子電池電壓高之外，由于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(jiān)測，低功耗智能管理，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）在使用過程中由于電池一致性、充電器等問題，易產生電池過充、過放等問題（由于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(jiān)測和保護）。
（9）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于存在有害物質鉛和鎘，國家必然會加強監(jiān)管和治理（鉛酸電池出口退稅的取消，鉛資源稅的增加，鉛酸電動自行車出口的受限），相應企業(yè)的成本也會增加。雖然鋰電池沒有污染，但從資源節(jié)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。（10）存在安全隱患；由于鋰離子動力電池能量高，材料穩(wěn)定性差，鋰電容易出現(xiàn)安全問題，目前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(yè)，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(yōu)點，但它們是不適合作動力電池應用于電動車的。
(11)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。電池內部采用螺旋繞制結構，用一種非常精細而滲透性很強的聚乙烯薄膜隔離材料在正、負極間間隔而成。正極包括由鋰和二氧化鈷組成的鋰離子收集極及由鋁薄膜組成的電流收集極。負極由片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(tài)及輸出短路時保護電池不受損壞。
單節(jié)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(jié)鋰電池進行串、并聯(lián)處理，以滿足不同場合的要求。
應用
隨著二十世紀微電子技術的發(fā)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(guī)模的實用階段。最早得以應用于心臟起搏器中。由于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于3.0伏的標稱電壓，更適合作集成電路電源。二氧化錳電池，就廣泛用于計算機，計算器，照相機、手表中。
現(xiàn)在，鋰離子動力電池大量應用在手機上，可以說是最大的應用群體。
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(fā)現(xiàn)，此電池組損壞時僅是個別電池有問題?？梢赃x用合適的單節(jié)鋰電池進行更換。
2、制作高亮微型電筒筆者曾用單節(jié)3.6V1.6AH鋰電池配合一個白色超高亮度發(fā)光管做成一只微型電筒，使用方便，小巧美觀。而且由于電池容量大，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。由于單節(jié)鋰電池電壓為3.6V。因此僅需一節(jié)鋰電池便可代替兩節(jié)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(xù)使用時間長。
科學研究
為了開發(fā)出性能更優(yōu)異的品種，人們對各種材料進行了研究。從而制造出前所未有的產品。比如，鋰二氧化硫電池和鋰亞硫酰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(xiàn)。所以，鋰電池的研究，也促進了非水體系電化學理論的發(fā)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(fā)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(xù)高電流放電可達10C，瞬間脈沖放電（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(huán)壽命，經500次循環(huán)，其放電容量仍大于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(huán)境無污染。
由于磷酸鐵鋰動力電池具有上述特點，并且生產出各種不同容量的電池，很快得到廣泛地應用。它主要應用領域有：1大型電動車輛：公交車、電動汽車、景點游覽車及混合動力車等；2輕型電動車：電動自行車、高爾夫球車、小型平板電瓶車、鏟車、清潔車、電動輪椅等；3電動工具：電鉆、電鋸、割草機等；4遙控汽車、船、飛機等玩具；5太陽能及風力發(fā)電的儲能設備；6UPS及應急燈、警示燈及礦燈(安全性最好)；7替代照相機中3V的一次性鋰電池及9V的鎳鎘或鎳氫可充電電池（尺寸完全相同）；8小型醫(yī)療儀器設備及便攜式儀器等。
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。充電的基本方法有恒電流充電和恒電壓充電。一般采用恒電流充電，其特點時在充電過程中充電電流恒定不變。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，電池的容量取決于容量小的那個電極，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。所謂貯存性能對于二次電池來說為充電保持能力。對于二次電池，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(huán)）。在一定的充放電制度下，電池容量達到某一規(guī)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(yōu)良的貯存性能和長的循環(huán)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(lián)于電路，由保護IC監(jiān)視電池電壓并進行控制，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。當電池處于放電狀態(tài)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(jiān)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(qū)分浪涌電流和短路電流。該電路功能完善，性能可靠，但專業(yè)性強，且專用集成塊不易購買，業(yè)余愛好者不易仿制。因為鋰離子動力電池過充或過放可能會導致爆炸并造成人員傷害，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后保存。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箱冷藏室內保存，的確是個好主意。鋰離子動力電池存在自放電現(xiàn)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。
注意事項
鋰離子電池的使用，注意三點：
1、如何為新電池充電？
在使用鋰離子動力電池中應注意的是，電池放置一段時間后則進入休眠狀態(tài)，此時容量低于正常值，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(huán)就可激活電池，恢復正常容量。由于鋰電池本身的特性，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，從一開始就采用標準方法充電這種“自然激活”方式是最好的。
對于鋰離子動力電池的“激活”問題，眾多的說法是：充電時間一定要超過12小時，反復做三次，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(xù)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(qū)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后都會自動停充，并不存在鎳電充電器所謂的持續(xù)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后，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。
在對某些機器上，充電超過一定的時間后，如果不去取下充電器，這時系統(tǒng)不僅不停止充電，還將開始放電-充電循環(huán)。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，于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。
2、正常使用中應該何時開始充電？
因為充放電的次數是有限的，所以應該將鋰電池的電盡可能用光再充電。但是關于鋰離子電池充放電循環(huán)的實驗表數據列出如下：
循環(huán)壽命(10%DOD):>1000次
循環(huán)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(huán)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，后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余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，當然你如果愿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余電時，那么也只管提前充電，因為并沒有真正損失“1”次充電循環(huán)壽命，也就是“0.x”次而已，而且往往這個x會很小。
電池剩余電量用完再充的原則并不是走向極端。和長充電一樣流傳甚廣的一個說法，就是“盡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(fā)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(xiàn)后，仍然不充電繼續(xù)使用一直用到自動關機的例子。結果這個例子中的機器在后來的充電及開機中均無反應，不得不送客服檢修。這其實就是由于電
池因過度放電而導致電壓過低，以至于不具備正常的充電和開機條件造成的。3、對鋰電池的正確做法
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序充電，即使是前三次也要如此進行；2、當出現(xiàn)機器電量過低提示時，應該盡量及時開始充電；3、鋰電池的激活并不需要特別的方法，在機器正常使用中鋰電池會自然激活。如果你執(zhí)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。
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(yōu)點正使其迅速地推廣應用開來。
鋰電池具有體輕、高效、耐低溫（－40℃）等優(yōu)點，0．3mm厚、郵票大小的鋰電池可連續(xù)使用5年以上，廣泛應用于許多高檔家電和手機中。
鋰離子動力電池不同于現(xiàn)用的錳電池和堿性干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采用二氧化錳、氟化鉛、氯化亞硫等材料。負極采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(xiàn)發(fā)熱、燃燒現(xiàn)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(fā)生多起因鋰離子動力電池發(fā)熱燃燒引起的家庭火災事故。
那么鋰離子動力電池為什么會發(fā)熱、燃燒呢？原來鋰離子動力電池中的許多材料與水接觸后，可發(fā)生劇烈的化學反應并釋放出大量熱能導致發(fā)熱、燃燒現(xiàn)象。鋰電池正極的二氧化錳，只沾一小滴水便可出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象。鋰電池中的氯化亞硫與水接觸后，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。各種主機停用后，應取下鋰電池置于干燥、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(fā)生。
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