蓄电池基础知识 | 锂离子电池
蓄电池基础知识 | 锂离子电池
1、锂离子电池的结构
锂离子电池的命名通常以正极材料为核心，比如磷酸铁锂电池就是以磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池；而三元锂电池则是采用镍钴锰酸锂Li（NiCoMn）O2作为正极材料的锂离子电池。锂离子电池的结构包括正极、负极、电解液、隔膜以及外壳等部分。锂离子电池的核心构成要素包括正极材料、负极材料、电解质以及隔膜，这四者并称其为四大核心组件。
正极材料是影响锂离子电池性能的关键因素之一蓄电池基础知识 | 锂离子电池，其性能和价格对电池的整体性能有显著影响。目前，已成功研发并应用于市场的正极材料包括钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂以及三元材料镍钴锰酸锂（NCM）和镍钴铝酸锂（NCA）。在锂离子电池的构成中，正极材料占据了较大的比重，其与负极材料的质量比通常在3∶1到4∶1之间。
锂离子电池在充电时，其负极材料充当锂离子与电子的传输媒介，负责储存和释放能量。此类材料在电池总成本中占比约为5%至15%。碳材料作为锂离子电池负极材料，应用范围最为广泛。
电解液作为锂离子电池中传输锂离子的媒介，主要由锂盐和有机溶剂构成。它在电池的正负极间传导锂离子，通常由高纯度的有机溶剂、锂盐电解质以及各种添加剂等材料，按照特定条件及比例混合制备而成。
隔膜安置在电池的正负极板之间，承担着绝缘的重任，是构成电池内层的关键部件之一。其性能的好坏直接关系到电池的横截面积和内部电阻，进而影响电池的容量、使用寿命以及安全性等关键特性。隔膜的主要功能是隔离电池的正负极，避免它们直接接触导致短路，同时还能允许电解质中的锂离子顺利通过。
锂离子电池在正负极材料选择及生产技术方面存在区别，这导致了它们在性能指标上有所区别，具体对比可参考表3-3。在众多类型中，钴酸锂电池因其稳定性不高、成本较高等因素，通常并不被用于制造动力电池。
表 3-3 锂离子电池性能参数对比
2、锂离子电池的工作原理
（1）放电过程
尽管锂离子电池的类型众多，但它们的工作机制基本上是一致的。在放电过程中，电子和锂离子Li+会同时进行移动，电子沿着外电路导体从负极流向正极，而Li+则从负极的晶状体结构中“脱出”并“插入”电解液中，随后“穿越”隔膜上蜿蜒曲折的小孔，“游动”进入正极晶体的空隙，最终与从外电路过来的电子相会合，这一过程如图3-6所示。
图 3- 6 放电过程
（2）充电过程
在充电过程中，晶状结构的正极材料中的锂元素分解为锂离子和电子。电子在外部电流的作用下，流向负极。与此同时，锂离子Li+从正极“脱嵌”出来，进入电解液中，随后“穿过”隔膜上蜿蜒曲折的小孔，最终“嵌入”到晶状结构的负极，与电子相遇并相结合。正因如此，负极区域锂离子的浓度较高，呈现出富锂状态，如图3-7所示。
图 3- 7 充电过程
3、锂离子电池的型号
各锂离子电池制造商的命名规范各异，然而，大多数通用电池均采纳了统一的标准。通过电池的名称蓄电池基础知识 | 锂离子电池，我们能够识别出其尺寸等关键信息。根据IEC的规定，圆柱形和方形电池的型号命名规范具体如下：
（ 1 ）圆柱形电池
该型号由三个字母和五个数字组成，其中前三个字母分别代表不同含义：第一个字母代表负极材料，I代表内置锂离子，L代表锂金属或锂合金电极；第二个字母代表正极材料，C代表钴，N代表镍，M代表锰，V代表钒；第三个字母为R，表示圆柱形结构。在五个数字中，前两个数字代表的是直径的尺寸，而接下来的三个数字则表示高度，它们所使用的计量单位均为毫米。
（2 ）方形电池
该型号以三个字母开头，紧随其后的是六个数字。在这三个字母中，前两个字母的含义与圆柱形电池相同；而第三个字母是“P”，用以指代方形。至于六个数字，前两位代表厚度，中间两位代表宽度，最后两位则代表高度（即长度），并且这些尺寸的单位均为毫米。
ICR 18650型号的电池呈圆柱状，其直径为18毫米，高度为65毫米；ICP 053353型号的电池为方形，其厚度为5毫米，宽度为33毫米，长度为53毫米。锂离子电池的具体实物型号可参照图3-8所示。
图 3- 8 锂离子电池实物型号标识
4、锂离子电池的应用特性
（1）电压高
锂离子电池单体的额定电压因所采用的正极材料各异而有所区别，最高可达3.8V。其电压是镍镉、镍氢电池的三倍，接近铅酸电池的两倍，这一特性也是锂离子动力蓄电池具有较高比能量的关键因素之一。
在构建电压一致的蓄电池组时，锂离子动力蓄电池所需的串联数量显著少于铅酸或镍氢电池。此外，随着动力蓄电池中单体电池数量的增加，对单体电池的一致性要求也随之提升锂离子电池模块是什么，这增加了电池组寿命控制的难度。在应用中，若电池组出现故障，通常是由一两个单体电池出现问题引发的，进而影响整个电池组的功能。由此可知，48伏的铅酸电池在故障率方面相较于36伏的铅酸电池确实较高，从这一角度来看，锂离子电池无疑是作为动力蓄电池的更佳选择。锂离子电池组在电压为36V时，仅需10个单体电池即可满足需求；相较之下，36V的铅酸电池组则需要18个单体电池，这相当于3个12V的电池组，而每个12V的铅酸电池组又是由6个单体电池组合而成。
（2 ）能量密度大
其能量密度远超150W·h/kg，是镍氢电池的两倍，更是铅酸电池的四倍之高。故此，锂离子电池在相同能量输出下，其质量仅为铅酸电池的四分之一至三分之一。基于此点，锂离子电池在资源消耗上更为节省，且锰酸锂电池所含元素的储量亦相对丰富。体积紧凑，能量密度显著，高达400W·h/L锂离子电池模块是什么，仅为同等能量铅酸电池体积的1/3至1/2，从而为结构布局和外观设计提供了更为合理的空间和更加美观的形态。
（3 ）寿命长
锂离子电池的充放电循环次数可达到1000至3000次。若以容量维持在70%为标准，电池组的充放电循环次数能超过2000次，使用寿命可长达5至8年，其寿命是铅酸电池的2至3倍。随着技术的不断进步，锂离子电池的使用寿命将持续增长，性价比也将不断提升。
（4 ）应用范围宽
其低温性能优异，能够在-40至55摄氏度的范围内正常运作。然而，对于水溶液电池（例如铅酸电池、镍氢电池）而言，在低温环境下，由于电解液的流动性减弱，其性能会显著下降。
（5 ）无记忆
充电前无需先进行放电，充电活动可随时随地展开。电池的充放电程度对整体寿命影响较小，支持从完全充满电到完全放电的循环使用。
（6）无污染
锂离子动力蓄电池不含任何有害成分，因而被誉为环保电池，同时也是国家大力支持的发展项目。相较之下锂离子电池模块是什么，铅酸电池和镉镍电池含有铅和镉等有害物质，国家将必然强化对这些电池的监管与整治，导致相关企业的运营成本上升。尽管锂离子电池对环境无污染，但在资源节约的考量下，我们必须全面评估锂离子动力蓄电池的回收安全性和相关成本。
（7 ）安全隐患
锂离子动力蓄电池虽然能量密度高，但其材料稳定性不足，因此容易引发安全隐患。2013年，全球知名的手机及笔记本电脑电池制造商，包括日本的三洋、索尼等，均提出要求将电池的爆炸喷溅率控制在40个ppb（即十亿分之一）以下。我国企业普遍能够实现这一目标，其爆喷率已降至ppm（百万分之一）级别。
（8 ）价格高
锂离子动力蓄电池在电压和容量相同的情况下，其价格是铅酸电池的3至4倍。然而，随着锂离子动力蓄电池市场的不断拓展、成本的逐渐下降、性能的不断提升，以及铅酸电池价格的上升，锂离子动力蓄电池的性价比有望超越铅酸电池。
