锂离子动力电池

随着二十世纪微电子技术的发展，小型化的设备日益增多，对电源提出了很高的要求。锂离子动力电池随之进入了大规模的实用阶段。 最早得以应用于心脏起搏器中。由于锂离子动力电池的自放电率极低，放电电压平缓。使得起搏器植入人体长期使用成为可能。

锂离子动力电池一般有高于3.0伏的标称电压，更适合作集成电路电源。二氧化锰电池，就广泛用于计算机，计算器，照相机、手表中。

2013年，锂离子动力电池大量应用在手机上，可以说是最大的应用群体。

1、作电池组维修代换品有许多电池组:如笔记本电脑上用的那种，经维修发现，此电池组损坏时仅是个别电池有问题。可以选用合适的单节锂电池进行更换。

2、制作高亮微型电筒笔者曾用单节3.6V1.6AH锂电池配合一个白色超高亮度发光管做成一只微型电筒，使用方便，小巧美观。而且由于电池容量大，平均每晚使用半小时，至今已用两个多月仍无需充电。

3、代替3V电源。由于单节锂电池电压为3.6V。因此仅需一节锂电池便可代替两节普通电池，给收音机、随身听、照相机等小家电产品供电，不仅重量轻，而且连续使用时间长。

锂离子动力电池在移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等、部分代替了传统电池。大容量锂离子电池已在电动汽车中试用，将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一，已经在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。

锰酸锂，磷酸铁锂等为正极材料的动力电池，统归为锂离子动力电池，各有优势，是新一代锂离子动力电池的发展趋势 。

锂离子动力电池通常有两种外型:圆柱型和长方型。 圆柱型电池内部采用螺旋绕制结构，用一种非常精细而渗透性很强的聚乙烯或聚丙烯或聚乙烯与聚丙烯复合的薄膜隔离材料在正、负极间间隔而成。而长方形则是通过叠片这种形式，即一正极上放置隔膜然后负极，以此类推， 叠加而成。包括由含锂的材料(如钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂的一种或几种混合使用等)组成的锂离子收集极及由铝薄膜组成的电流收集极。负极由层状碳材料组成的锂离子收集极和铜薄膜组成的电流收集极组成。电池内充有有机电解质溶液。另外还装有安全阀和PTC元件，以便电池在不正常状态及输出短路时保护电池不受损坏。

单节锂电池的电压为3.6V，容量也不可能无限大，因此，常常将单节锂电池进行串、并联处理，组成电池组，以满足不同场合的要求。

1.抑制电池极化，减少热效应，提高倍率性能;

2.降低电池内阻，并明显降低了循环过程的动态内阻增幅;

3.提高一致性，增加电池的循环寿命;

4.提高活性物质与集流体的粘附力，降低极片制造成本;

5.保护集流体不被电解液腐蚀;

6.改善磷酸铁锂、钛酸锂材料的加工性能。

随着能源的匮乏及全社会对环境污染的严格控制，动力车、混合动力车已成为当今汽车业的一个亮点，而其采用何种电池作动力，也成为2013年必须进行抉择的当务之急。铅酸、镍氢、镍镉电池质量大，能量密度小，环保效果差;液态锂离子电池虽然能量密度大，但安全性差，充放电管理也成为新问题;燃料电池成本高，寿命短，交换介质触媒有待改进提高，2013年还不具备商业价值。其他类型的燃料电池还需要改进提高，产业化等问题有待解决。所以，2013年聚合物锂离子电池便成了脱颖而出的新宠。

聚合物锂离子电池基本具备了动力电源必须具备的3个条件:1.具有高安全性能，2.适合于大功率充放电，3.高低温环境下仍能继续工作。

作为动力电源，其安全性能必然占据着首要位置。动力电源首先不应当是"定时炸弹"，另外在使用过程中应能适应各种恶劣环境。2013年，国内外锂电池的安全性能一般通过穿刺试验来检验。浙江东升电池很好地解决了电池的安全性能问题，测试结果表明，该公司生产的聚合物锂离子电池穿刺时穿刺部位略微升温，穿刺后的电池仍能正常工作。试验表明，该电池隔离膜在异常情况下有着特殊的闭孔性能，在一定温度下可能发生低聚反应，局部产生高电阻薄膜。这种电池在过充或过放试验中也表现出较高的安全性能。

动力电源的另一个重要技术指标是大电流充放电性能，也就是动力源的功率要大。汽车高速行驶时所需要的动力在40kW以上，因此电池放电时的电流一般很大，充电时为了在短时间内充满，也要求大电流充电。大功率电池并非由小功率电池的简单增加来获取，电池材料选配要得当，结构设计要合理，必要时还要设置散热系统，才能保证电池的特性。浙江东升电池属于多孔态聚合物锂离子电池，它比起纯固态或凝胶态聚合物锂离子电池有一定的优势。所谓多孔态电池其隔膜是三维多孔结构，电极本身也是多孔结构，因此电极反应的真实表面积比宏观表面积大许多，尽管电解液中不存在游离态电解液，但是离子的导电通道多且离子迁移路程较短，因而电池工作时可以放出较大电流，而且产生的热量相对较小。该电池的另一个特点是工作温度范围宽，可在-50℃~+80℃范围内工作，尤其在低温-50℃下放电率可以达到34%。

作为动力车使用的电源还有很多需要配套解决的问题，如快速充电性能、电池的均衡管理和保护电路的开发、充电器的开发、CAN(控制器局域网)总线的设计等。2013年很多厂商都在着手相关技术和产品的开发研制工作，但要想使其得以快速应用推广则需要一个公共平台，整车厂、电池厂、充电器厂需要整合，不能单打独斗，闭门造车，以致生产的产品无法得到实际应用。国家在此方面也投入了大量的人力和资金，虽然在研发和产品上也取得了进展，但综合进度并不是很理想，投资分散，技术起点参差不齐，思路存在千差万别。在动力车的核心部分---动力电源方面如果不跳出常规，就很难有大的突破。

2013年就动力电源的发展而言，电池的价位并非最关键问题，关键是安全问题。材料业和IC产业的技术发展都展现出了行业走势，产品性能将更好，价位将越来越低。当然关键材料及高端材料2013年还是本行业内所必须解决的问题，如耐过充过能材料、快速充电储能材料等。充电设备的开发也要跟上，要开发管理电路、均衡电路、保护电路与电池和充电器形成一体化产品，如果能够有计划有目标地攻克和解决，从技术到产品都将可以达到一个新高度。

(1)电池的开路电压 (2)电池的内阻

(3)电池的工作电压

(4)充电电压充电电压是指二次电池在充电时，外电源加在电池两端的电压。充电的基本方法有恒电流充电和恒电压充电。一般采用恒电流充电，其特点时在充电过程中充电电流恒定不变。随着充电的进行，活性物质被恢复，电极反应面积不断缩小，电机的极化逐渐增高。

(5)电池容量电池容量是指从电池获得电量的量，常用C表示，单位常用Ah或mAh表示。容量是电池电性能的重要指标。电池的容量通常分为理论容量、实际容量和额定容量。电池容量由电极的容量决定，若电极的容量不等，电池的容量取决于容量小的那个电极，但决不是正负极容量之和。

(6)电池的贮存性能和寿命化学电源的主要特点之一是在使用时能够放出电能，不用时能贮存电能。所谓贮存性能对于二次电池来说为充电保持能力。对于二次电池，使用寿命时衡量电池性能好坏的一个重要参数。二次电池经过一次充电和放电，称为一个周期(或已此循环)。在一定的充放电制度下，电池容量达到某一规定值之前电池能经受的充放电次数称为二次电池的使用周期。锂离子动力电池具有优良的贮存性能和长的循环寿命。

(7)保护电路 由两个场效应管和专用保护集成块S--8232组成，过充电控制管 FET2和过放电控制管FET1串联于电路，由保护IC监视电池电压并进行控制，当电池电压上升至4.2V时，过充电保护管FET1截止，停止充电。为防止误动作，一般在外电路加有延时电容。当电池处于放电状态下，电池电压降至2.55V时，过放电控制管FET1截止，停止向负载供电。过电流保护是在当负载上有较大电流流过时，控制FET1使其截止，停止向负载放电，目的是为了保护电池和场效应管。过电流检测是利用场效应管的导通电阻作为检测电阻，监视它的电压降，当电压降超过设定值时就停止放电。在电路中一般还加有延时电路，以区分浪涌电流和短路电流。该电路功能完善，性能可靠，但专业性强，且专用集成块不易购买，业余爱好者不易仿制。 因为锂离子动力电池过充或过放可能会导致爆炸并造成人员伤害，所以使用这类电池时，安全是主要关心的问题。因此，商用锂离子电池组通常包括象DS2720这样的保护电路(图7)。DS2720提供了可充电锂离子动力电池

所需的所有保护功能，如:在充电时保护电池、防止电路过流、通过限制电池的放电电压延长电池寿命。

是镍镉电池,镍氢电池的3倍，铅酸电池的近2倍，这也是锂离子动力电池比能量高的一个重要原因。因此 组成相同电压的动力电池组时，锂离子动力电池使用的串联数目会大大少于铅酸电池和镍氢电池。如果动力电池中单体电池数量越多，电池组中单体电池的一致性要求就越高，寿命就越不好做，在实际使用过程中电池组有问题分析后，一般是其中一、两个单体电池出问题然后导致整组电池出现问题，因此不难理解为什么48V的铅酸电池比36V的铅酸电池反馈要高，从这个角度上讲锂电更适合动力电池的使用。例如36V 的锂电只需要10个单体，而36V铅酸电池需要18个单体电池，即3只12V的电池组，而每只12V的铅酸电池有六个单格即六个单体电池组成。

比能量大，高达150Wh/Kg,是镍氢电池的2倍，铅酸电池的4倍, 因此重量是相同能量的铅酸电池的三分之一到四分之一，从这个角度讲锂电消耗的资源就少，而且由于锰酸锂电池中所用元素的储量比较多，因此相对铅酸、镍氢电池可能会进一步涨价，锂离子动力电池成本反而是进一步降低的。电动自行车用锂离子电池重量为2.2-4公斤，铅酸电池的重量为12-20公斤，锂电重量约为铅酸电池的四分之一到三分之一，比铅酸电池轻约10公斤(36V，10Ah电池)，电池重量减轻了70%,整车总重量至少减轻了20%。加上一般锂电车都是简易款的电动自行车，由于电池和整车轻，相同电压、相同容量的电池行驶里程更长，普通的电动车重量在40公斤以上,而锂离子动力电池电动自行车重量在7到26 公斤之间。女士和老年人都可以轻易搬动,人力骑行也十分轻便，运动休闲兼得。 (3)体积小，高达到400Wh/L，体积是铅酸电池的二分之一到三分之一。提供了更合理的结构和更美观的外形的设计条件、设计空间和可能性。现阶段由于铅酸电池体积、重量的限制，设计师们的设计思想受到极大约束，导致现阶段的电动自行车在结构和外观上"千车一面"、雷同相似、单调划一。而锂离子电池的使用，给设计师们提供了展示设计思想和设计风格的更大空间及条件。当然同时也导致电动自行车用锂离子动力电池尺寸多种多样，不利于锂动力电池行业的发展。锂动力电池行业也需要尽快制定电动自行车用锂离子电池国家标准，加速在电动自行车领域锂电对铅酸电池的替代。当然2013年锂电池是在不断发展过程中的不同材料、不同工艺电池的体积有很大的差别，如何统一也是一个难点。

循环次数可达1000~3000次。以容量保持70%计，电池组100%充放电循环次数可以达到200次以上，使用年限可达5~8年,寿命约为铅酸电池的两到三倍。随着技术的革新，设备的提高，电池的寿命会越来越长，性价比会越来越高。 (5) 自放电率低，每月不到5%。

低温性能好，锂离子动力电池可在-40℃~+55℃之间工作，而水溶液电池(比如铅酸电池、镍氢电池)在低温时，由于电解液流动性变差会导致性能大大降低。

所以每次充电前不必像镍镉电池、镍氢电池一样需要放电，可以随时随地的进行充电。电池充放电深度，对电池的寿命影响不大，可以全充全放，我们循环测试就是全充全放的。

除了锂离子电池电压高之外，由于锂离子动力电池组的保护板能够对每一个单体电池进行高精度监测， 低功耗智能管理，具有完善的过充电、过放电、温度、过流、短路保护、锁定自恢复功能以及可靠的均衡充电功能，大大的延长了电池的使用寿命。而其他类型电池(比如铅酸电池)在使用过程中由于电池一致性、充电器等问题，易产生电池过充、过放等问题(由于成本等各方面的原因，铅酸电池组内不能对每一个单体电池进行监测和保护)。

锂离子动力电池中不存在有毒物质，因此被称为"绿色电池"，国家重点扶持。而铅酸电池和镉镍电池由于存在有害物质铅和镉，国家必然会加强监管和治理(铅酸电池出口退税的取消，铅资源税的增加，铅酸电动自行车出口的受限)，相应企业的成本也会增加。虽然锂电池没有污染，但从资源节约的角度考虑。锂离子动力电池的回收，回收中的安全性，回收的成本也都需要考虑。

由于锂离子动力电池能量高，材料稳定性差，锂电容易出现安全问题，2013年世界上知名的手机和笔记本电脑电池(正极材料为钴酸锂和三元材料)生产企业，日本三洋、索尼等公司要求电池的爆喷率控制在40个ppb(十亿分之一)以下，国内公司能达到ppm(百万分之一)级的就已经不错了，而动力电池的容量是手机电池容量的上百倍以上，因此对锂电的安全性要求极高。虽然钴酸锂电池和三元材料的电池具有重量更轻，体积更小等优点，但它们是不适合作动力电池应用于电动车的。混晶锰酸锂和磷酸亚铁锂的锂离子电池是最有前景的锂离子动力电池。

相同电压和相同容量的锂离子动力电池价格是铅酸的3-4倍。随着锂离子动力电池市场的扩大，成本的降低，性能的提高，以及铅酸电池价格的提高，锂离子动力电池的性价比是有可能超过铅酸电池的。

为了开发出性能更优异的品种，人们对各种材料进行了研究。从而制造出前所未有的产品。比如，锂二氧化硫电池和锂亚硫酰氯电池就非常有特点。它们的正极活性物质同时也是电解液的溶剂。这种结构只有在非水溶液的电化学体系才会出现。所以，锂电池的研究，也促进了非水体系电化学理论的发展。除了使用各种非水溶剂外，人们还进行了聚合物薄膜电池的研究。

21世纪，科学家研发了一种新型的盐酸铁锂离子动力电池。磷酸铁锂离子动力电池可归纳下述特点。 1 高效率输出:标准放电为2~5C、连续高电流放电可达10C，瞬间脉冲放电(10S)可达20C;2 高温时性能良好:外部温度65℃时内部温度则高达95℃，电池放电结束时温度可达160℃，电池的结构安全、完好;3 即使电池内部或外部受到伤害，电池不燃烧、不爆炸、安全性最好;4 极好的循环寿命，经500次循环，其放电容量仍大于95%;5 过放电到零伏也无损坏;6 可快速充电;7 低成本;8 对环境无污染。

由于磷酸铁锂动力电池具有上述特点，并且生产出各种不同容量的电池，很快得到广泛地应用。它主要 应用领域有:1 大型电动车辆:公交车、电动汽车、景点游览车及混合动力车等;2 轻型电动车:电动自行车、高尔夫球车、小型平板电瓶车、铲车、清洁车、电动轮椅等;3 电动工具:电钻、电锯、割草机等;4 遥控汽车、船、飞机等玩具;5太阳能及风力发电的储能设备;6 UPS及应急灯、警示灯及矿灯(安全性最好);7 替代照相机中3V的一次性锂电池及9V的镍镉或镍氢可充电电池(尺寸完全相同);8 小型医疗仪器设备及便携式仪器等。磷酸铁锂电池是未来动力电池市场的主流。