一文解析锂电池工作原理及应用

　　锂电池简介

　　锂电池，是早期由爱迪生发明的一种由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池，其工作原理为一种Li+MnO2=LiMnO2的氧化还原反应。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得其长期没有得到广泛应用，但现在随着科学技术的高速发展，锂电池逐渐成为主流。

　　

　　锂电池的发展阶段

　　1、1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。

　　2、1980年，J. Goodenough 发现钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料。

　　3、1982年伊利诺伊理工大学（the Illinois Institute of Technology）的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。与此同时，采用金属锂制成的锂电池，其安全隐患备受关注，因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。

　　4、1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料，具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高，且氧化性远低于钴酸锂，即使出现短路、过充电，也能够避免了燃烧、爆炸的危险。

　　5、1989年，A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。

　　6、1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。

　　7、1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸锂铁（LiFePO4），比传统的正极材料更具优越性，因此已成为当前主流的正极材料。

　　

　　锂电池的分类

　　1、按锂电池的外型分：方型锂电池（如常用的手机电池电芯）和柱形锂电池（如18650）；

　　2、按锂电池外包材料分：铝壳锂电池，钢壳锂电池，软包电池；

　　3、按锂电池正负极材料（添加剂）分：沽酸锂（LiCoO2）电池或锰酸锂（LiMn2O4），磷酸铁锂电池，一次性二氧化锰锂电池；另一种分法：锂离子LIB，聚合物PLB

　　4、不同的性能用途方面分：

　　一次性锂电池－－－锂锰电池－－扣式3伏电池

　　高容量（高平台）锂电池－－用在手机数码产品上

　　高倍率锂电池；－－－用在电动车和电动工具上及飞机模型

　　高温锂电池；－－－矿灯，室上灯饰，机器内置后备电源；

　　低温锂电池；－－－室外环境，北方（冬天）南极；

　　5、锂电池还分成两类：不可充电的和可充电两类。

　　

　　锂电池的结构

　　锂电池在结构上主要有五大块：正极、负极、电解液、隔膜、外壳与电极引线。

　　目前较为常用的锂电池材料有钴酸锂、镍酸锂以及锰酸锂。用得最多的材料是钴酸锂，循环性能好，制造也方便，缺点是钴化合物价格较贵。镍酸锂的因为性质不稳定，制造困难，通常用得较多的是钴酸锂掺杂镍的化合物，又称镍钴酸锂。锰酸锂也是非常好的材料，在高温下锰酸锂的衰减比较快等诸多原因，目前应用多数还停留在实验室阶段。

　　锂电池的结构主要分卷绕式和层叠式两大类。液态锂电池采用卷绕结构，聚合物锂电池则两种都有。卷绕式将正极膜片、隔膜、负极膜片依次放好，卷绕成圆柱形或扁柱形，主要以SANYO、TOSHIBA、SONY、ATL为代表。层叠式则将正极、隔膜、负极、隔膜、正极这样的方式多层堆叠。将所有正极焊接在一起引出，负极也焊成一起引出，主要以ATL为代表。

　　锂电池工作原理

　　1、充电时

　　在电场的驱动下锂离子从正极晶格中脱出，经过电解质，嵌入到负极晶格中。

　　充电开始时，应先检测待充电电池的电压，如果电压低于3V，要先进行预充电，充电电流为设定电流 的1/10，一般选0.05C左右。电压升到3V后，进入标准充电过程。标准充电过程为：以设定电流进行恒流充电，电池电压升到4.20V时，改为恒压充电，保持充电电压为4.20V。此时，充电电流逐渐下降，当电流下降至设定充电电流的1/10时，充电结束。

　　一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间，电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。而且，过大的电流充电，容量不够满，因为电池内部的电化学反应需要时间。就跟倒啤酒一样，倒太快的话会产生泡沫，反而不满。

　　术语解释：充放电电流一般用C作参照，C是对应电池容量的数值。电池容量一般用Ah、mAh表示，如M8的电池容量1200mAh，对应的C就是1200mA。0.2C就等于240mA。

　　下面是锂电池典型充电曲线图：

　　

　　2、放电时

　　过程正好相反锂离子返回正极，电子通过用电器由外电路到达正极与锂离子复合。

　　从典型放电曲线图上可以看出，电池放电电流越大，放电容量越小，电压下降更快。

　　

　　锂电池的应用

　　一、交通动力电源领域主要包括

　　1、电动自行车

　　2、电动摩托车

　　3、电动汽车（混合动力与纯动力）

　　4、电动大巴/中巴车（纯电动和混合动力）

　　5、电动特种车（电动高尔夫车，电动旅游观光车，电动工程车，电动扫地机，电动叉车，警用巡逻车，电动平衡车等）

　　二、电力储能电源领域主要包括：

　　1、大型太阳能/风能电力储能系统

　　2、电网调峰电源

　　3、电力专用不间断电源系统

　　4、一体化电源系统

　　5、光伏离网并网储能电站系统

　　三、移动通信电源领域主要包括：

　　1、宏基站一体化锂电池电源

　　2、户外一体化基站锂电池电源

　　3、边际网基站锂电池电源

　　4、非物理站点锂电池备电

　　5、FTTX的多种锂电池备电

　　6、通信机楼336V HVDC数据中心备电

　　7、可再生能源（铁锂电池+光伏+…）基站电源

　　8、IDC机楼的铁锂电池储能电站

　　

　　四、新能源储能动力电源

　　1、太阳能路灯、草坪灯、矿灯、应急灯、庭院灯、高杆灯

　　2、起动电源（汽车、摩托车、铁路内燃机车、电力机车、客车起动等的电源）

　　3、电动工具（电钻，碾磨器，电动螺母等）

　　4、电动玩具

　　5、电动割草机，电动捕鱼器等

　　6、电动模型、航模

　　7、电动机器人

　　五、航天军工电源

　　大型舰船类动力电源（航线、战船、大型邮轮、货轮等）

　　航空飞行器所用动力电源（大型民航客机、商务飞机、直升机、战斗机等飞行器具所用动力电源）

　　航天载具动力电源系统（航天飞机、卫星、火箭、导弹等）

　　军用装甲，民用大型挖掘器械所用动力电源（坦克、装甲车、军用大型装甲车辆、民用大型挖掘器械、大型吊车等）