鋰離子動力電池

隨著二十世紀(jì)微電子技術(shù)的發(fā)展，小型化的設(shè)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(jìn)入了大規(guī)模的實(shí)用階段。 最早得以應(yīng)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(biāo)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(jì)算機(jī)，計(jì)算器，照相機(jī)、手表中。

2013年，鋰離子動力電池大量應(yīng)用在手機(jī)上，可以說是最大的應(yīng)用群體。

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(jīng)維修發(fā)現(xiàn)，此電池組損壞時(shí)僅是個別電池有問題?？梢赃x用合適的單節(jié)鋰電池進(jìn)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(shí)，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(jī)、隨身聽、照相機(jī)等小家電產(chǎn)品供電，不僅重量輕，而且連續(xù)使用時(shí)間長。

鋰離子動力電池在移動電話、便攜式計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、照相機(jī)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(jì)電動汽車的主要動力電源之一，已經(jīng)在人造衛(wèi)星、航空航天和儲能方面得到應(yīng)用。

錳酸鋰，磷酸鐵鋰等為正極材料的動力電池，統(tǒng)歸為鋰離子動力電池，各有優(yōu)勢，是新一代鋰離子動力電池的發(fā)展趨勢 。

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(nèi)部采用螺旋繞制結(jié)構(gòu)，用一種非常精細(xì)而滲透性很強(qiáng)的聚乙烯或聚丙烯或聚乙烯與聚丙烯復(fù)合的薄膜隔離材料在正、負(fù)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后負(fù)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(fù)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(nèi)充有有機(jī)電解質(zhì)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(shí)保護(hù)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(jìn)行串、并聯(lián)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(yīng)，提高倍率性能;

2.降低電池內(nèi)阻，并明顯降低了循環(huán)過程的動態(tài)內(nèi)阻增幅;

3.提高一致性，增加電池的循環(huán)壽命;

4.提高活性物質(zhì)與集流體的粘附力，降低極片制造成本;

5.保護(hù)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。

隨著能源的匱乏及全社會對環(huán)境污染的嚴(yán)格控制，動力車、混合動力車已成為當(dāng)今汽車業(yè)的一個亮點(diǎn)，而其采用何種電池作動力，也成為2013年必須進(jìn)行抉擇的當(dāng)務(wù)之急。鉛酸、鎳氫、鎳鎘電池質(zhì)量大，能量密度小，環(huán)保效果差;液態(tài)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(zhì)觸媒有待改進(jìn)提高，2013年還不具備商業(yè)價(jià)值。其他類型的燃料電池還需要改進(jìn)提高，產(chǎn)業(yè)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.適合于大功率充放電，3.高低溫環(huán)境下仍能繼續(xù)工作。

作為動力電源，其安全性能必然占據(jù)著首要位置。動力電源首先不應(yīng)當(dāng)是"定時(shí)炸彈"，另外在使用過程中應(yīng)能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。2013年，國內(nèi)外鋰電池的安全性能一般通過穿刺試驗(yàn)來檢驗(yàn)。浙江東升電池很好地解決了電池的安全性能問題，測試結(jié)果表明，該公司生產(chǎn)的聚合物鋰離子電池穿刺時(shí)穿刺部位略微升溫，穿刺后的電池仍能正常工作。試驗(yàn)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(fā)生低聚反應(yīng)，局部產(chǎn)生高電阻薄膜。這種電池在過充或過放試驗(yàn)中也表現(xiàn)出較高的安全性能。

動力電源的另一個重要技術(shù)指標(biāo)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(shí)所需要的動力在40kW以上，因此電池放電時(shí)的電流一般很大，充電時(shí)為了在短時(shí)間內(nèi)充滿，也要求大電流充電。大功率電池并非由小功率電池的簡單增加來獲取，電池材料選配要得當(dāng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理，必要時(shí)還要設(shè)置散熱系統(tǒng)，才能保證電池的特性。浙江東升電池屬于多孔態(tài)聚合物鋰離子電池，它比起純固態(tài)或凝膠態(tài)聚合物鋰離子電池有一定的優(yōu)勢。所謂多孔態(tài)電池其隔膜是三維多孔結(jié)構(gòu)，電極本身也是多孔結(jié)構(gòu)，因此電極反應(yīng)的真實(shí)表面積比宏觀表面積大許多，盡管電解液中不存在游離態(tài)電解液，但是離子的導(dǎo)電通道多且離子遷移路程較短，因而電池工作時(shí)可以放出較大電流，而且產(chǎn)生的熱量相對較小。該電池的另一個特點(diǎn)是工作溫度范圍寬，可在-50℃~+80℃范圍內(nèi)工作，尤其在低溫-50℃下放電率可以達(dá)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(hù)電路的開發(fā)、充電器的開發(fā)、CAN(控制器局域網(wǎng))總線的設(shè)計(jì)等。2013年很多廠商都在著手相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品的開發(fā)研制工作，但要想使其得以快速應(yīng)用推廣則需要一個公共平臺，整車廠、電池廠、充電器廠需要整合，不能單打獨(dú)斗，閉門造車，以致生產(chǎn)的產(chǎn)品無法得到實(shí)際應(yīng)用。國家在此方面也投入了大量的人力和資金，雖然在研發(fā)和產(chǎn)品上也取得了進(jìn)展，但綜合進(jìn)度并不是很理想，投資分散，技術(shù)起點(diǎn)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(guī)，就很難有大的突破。

2013年就動力電源的發(fā)展而言，電池的價(jià)位并非最關(guān)鍵問題，關(guān)鍵是安全問題。材料業(yè)和IC產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展都展現(xiàn)出了行業(yè)走勢，產(chǎn)品性能將更好，價(jià)位將越來越低。當(dāng)然關(guān)鍵材料及高端材料2013年還是本行業(yè)內(nèi)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(shè)備的開發(fā)也要跟上，要開發(fā)管理電路、均衡電路、保護(hù)電路與電池和充電器形成一體化產(chǎn)品，如果能夠有計(jì)劃有目標(biāo)地攻克和解決，從技術(shù)到產(chǎn)品都將可以達(dá)到一個新高度。

(1)電池的開路電壓 (2)電池的內(nèi)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(shí)，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(diǎn)時(shí)在充電過程中充電電流恒定不變。隨著充電的進(jìn)行，活性物質(zhì)被恢復(fù)，電極反應(yīng)面積不斷縮小，電機(jī)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(biāo)。電池的容量通常分為理論容量、實(shí)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(fù)極容量之和。

(6)電池的貯存性能和壽命化學(xué)電源的主要特點(diǎn)之一是在使用時(shí)能夠放出電能，不用時(shí)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(shí)衡量電池性能好壞的一個重要參數(shù)。二次電池經(jīng)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(dá)到某一規(guī)定值之前電池能經(jīng)受的充放電次數(shù)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(hù)電路 由兩個場效應(yīng)管和專用保護(hù)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(hù)IC監(jiān)視電池電壓并進(jìn)行控制，當(dāng)電池電壓上升至4.2V時(shí)，過充電保護(hù)管FET1截止，停止充電。為防止誤動作，一般在外電路加有延時(shí)電容。當(dāng)電池處于放電狀態(tài)下，電池電壓降至2.55V時(shí)，過放電控制管FET1截止，停止向負(fù)載供電。過電流保護(hù)是在當(dāng)負(fù)載上有較大電流流過時(shí)，控制FET1使其截止，停止向負(fù)載放電，目的是為了保護(hù)電池和場效應(yīng)管。過電流檢測是利用場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻作為檢測電阻，監(jiān)視它的電壓降，當(dāng)電壓降超過設(shè)定值時(shí)就停止放電。在電路中一般還加有延時(shí)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(qiáng)，且專用集成塊不易購買，業(yè)余愛好者不易仿制。 因?yàn)殇囯x子動力電池過充或過放可能會導(dǎo)致爆炸并造成人員傷害，所以使用這類電池時(shí)，安全是主要關(guān)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(hù)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(hù)功能，如:在充電時(shí)保護(hù)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。

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(shí)，鋰離子動力電池使用的串聯(lián)數(shù)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?cái)?shù)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(shí)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(dǎo)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。

比能量大，高達(dá)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(jìn)一步漲價(jià)，鋰離子動力電池成本反而是進(jìn)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(yùn)動休閑兼得。 (3)體積小，高達(dá)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(jié)構(gòu)和更美觀的外形的設(shè)計(jì)條件、設(shè)計(jì)空間和可能性?，F(xiàn)階段由于鉛酸電池體積、重量的限制，設(shè)計(jì)師們的設(shè)計(jì)思想受到極大約束，導(dǎo)致現(xiàn)階段的電動自行車在結(jié)構(gòu)和外觀上"千車一面"、雷同相似、單調(diào)劃一。而鋰離子電池的使用，給設(shè)計(jì)師們提供了展示設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)風(fēng)格的更大空間及條件。當(dāng)然同時(shí)也導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)，加速在電動自行車領(lǐng)域鋰電對鉛酸電池的替代。當(dāng)然2013年鋰電池是在不斷發(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(diǎn)。

循環(huán)次數(shù)可達(dá)1000~3000次。以容量保持70%計(jì)，電池組100%充放電循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到200次以上，使用年限可達(dá)5~8年,壽命約為鉛酸電池的兩到三倍。隨著技術(shù)的革新，設(shè)備的提高，電池的壽命會越來越長，性價(jià)比會越來越高。 (5) 自放電率低，每月不到5%。

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(shí)，由于電解液流動性變差會導(dǎo)致性能大大降低。

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(shí)隨地的進(jìn)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。

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(hù)板能夠?qū)γ恳粋€單體電池進(jìn)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(hù)、鎖定自恢復(fù)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(chǎn)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(nèi)不能對每一個單體電池進(jìn)行監(jiān)測和保護(hù))。

鋰離子動力電池中不存在有毒物質(zhì)，因此被稱為"綠色電池"，國家重點(diǎn)扶持。而鉛酸電池和鎘鎳電池由于存在有害物質(zhì)鉛和鎘，國家必然會加強(qiáng)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(yīng)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。

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，2013年世界上知名的手機(jī)和筆記本電腦電池(正極材料為鈷酸鋰和三元材料)生產(chǎn)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(nèi)公司能達(dá)到ppm(百萬分之一)級的就已經(jīng)不錯了，而動力電池的容量是手機(jī)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(diǎn)，但它們是不適合作動力電池應(yīng)用于電動車的?；炀уi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。

相同電壓和相同容量的鋰離子動力電池價(jià)格是鉛酸的3-4倍。隨著鋰離子動力電池市場的擴(kuò)大，成本的降低，性能的提高，以及鉛酸電池價(jià)格的提高，鋰離子動力電池的性價(jià)比是有可能超過鉛酸電池的。

為了開發(fā)出性能更優(yōu)異的品種，人們對各種材料進(jìn)行了研究。從而制造出前所未有的產(chǎn)品。比如，鋰二氧化硫電池和鋰亞硫酰氯電池就非常有特點(diǎn)。它們的正極活性物質(zhì)同時(shí)也是電解液的溶劑。這種結(jié)構(gòu)只有在非水溶液的電化學(xué)體系才會出現(xiàn)。所以，鋰電池的研究，也促進(jìn)了非水體系電化學(xué)理論的發(fā)展。除了使用各種非水溶劑外，人們還進(jìn)行了聚合物薄膜電池的研究。

21世紀(jì)，科學(xué)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(diǎn)。 1 高效率輸出:標(biāo)準(zhǔn)放電為2~5C、連續(xù)高電流放電可達(dá)10C，瞬間脈沖放電(10S)可達(dá)20C;2 高溫時(shí)性能良好:外部溫度65℃時(shí)內(nèi)部溫度則高達(dá)95℃，電池放電結(jié)束時(shí)溫度可達(dá)160℃，電池的結(jié)構(gòu)安全、完好;3 即使電池內(nèi)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(jīng)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(diǎn)，并且生產(chǎn)出各種不同容量的電池，很快得到廣泛地應(yīng)用。它主要 應(yīng)用領(lǐng)域有:1 大型電動車輛:公交車、電動汽車、景點(diǎn)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(jī)等;4 遙控汽車、船、飛機(jī)等玩具;5太陽能及風(fēng)力發(fā)電的儲能設(shè)備;6 UPS及應(yīng)急燈、警示燈及礦燈(安全性最好);7 替代照相機(jī)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(shè)備及便攜式儀器等。磷酸鐵鋰電池是未來動力電池市場的主流。