锂 离 子 电 池 概 述

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。锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。之前锂金属电池被称为一次电池，不可充电，（目前已出现可充电锂金属电池），锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的，被称为二次电池。各种锂电池被广泛用于我们生活中的电脑，智能手机，电器产品、电动汽车、产业机械、尖端科技等各个领域。

1. 什么是锂离子电池

锂离子电池：是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。

我们日常所用的智能手机和笔记本电脑等设备里面就是锂离子电池。锂离子电池是能够充电的二次电池，与其他类型的电池相比，不仅能小型轻量化，而且能储存的电能高。

2. 锂离子电池产生电的工作原理

除了锂离子电池之外，电池还有其他各种类型，实际上电池产生电的基本工作原理都大致相同。

锂离子电池可选的正极材料很多，一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、，目前市场常见的正极活性材料如下表所示:

负极材料多采用石墨，另外锂金属、锂合金、硅碳负极、氧化物负极材料等也可用于负极。锂离子电池使用非水电解质。

负极反应：放电时锂离子脱嵌，充电时锂离子嵌入。

电池里有使用金属材料的正电极（正极）和负电极（负极），借由离子而导电的物质（电解质）充满在正负极之间。金属电极被电解质熔化，分为离子和电子，电子从负极向正极移动产生电流，这时便产生电。

二次锂离子电池是在开始使用前先对电池进行充电，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液穿过隔膜运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程)，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又穿过隔膜运动回正极，而电子无法穿过隔膜只能经过负载到达正极与锂离子结合，回正极的锂离子越多，放电容量越高。

锂离子电池是预先在正极使用含锂金属化合物，负极使用能吸储锂的碳(石墨)。通过这样的结构，无须如传统电池一般由电解质熔化电极就能发电，从而减缓了电池本身的老化，不仅能储蓄更多的电，充放电的次数也得以增加。此外，锂是非常小而轻的物质，从而能使锂离子电池具有小型轻量化等各种优点。

                                               锂离子电池产生电流的工作原理

3. 锂离子电池的几种常见种类

根据正极所用的金属材料的不同，锂离子电池分为几个种类。最初锂离子电池的正极所用的金属材料是钴。不过钴的产量几乎与锂同样少，也是稀有金属，制造成本高，因此开始使用廉价且环境负荷小的材料，例如锰、镍、铁等金属。锂离子电池通常按其所使用的材料而分类。

                                  锂离子电池的种类和特点

下面来看看各种类分别都有哪些特点。

钴酸锂离子电池

钴酸锂离子电池正极使用钴酸锂，钴酸锂合成工艺简单，便于使用，是第一代商业正极材料，锂离子电池最早量产的就是钴酸锂离子电池。钴酸锂电池结构稳定、其压实密度大于三元材料，容量比高、综合性能比较突出、但是由于钴是稀有金属，价格昂贵，相应的生产成本非常高，且钴元素有毒，其安全性能也差，主要适用于中小型号电芯，早期多用于笔记本电脑、智能手机等小型电子产品中，标称电压3.7V。若用于制作大型动力电池则安全性难以保证。另外，钴酸锂理论容量高，实际只能用一半，原因是充电过程中锂离子从钴酸锂材料中脱出，锂离子脱出量小于50%尚可稳定，大于50%时，钴将溶解在电解液中产生氧气，严重影响安全，因此钴酸锂充电截止电压为4.2V。

锰系锂离子电池

锰酸锂离子电池.正极使用锰酸锂。优点是电压能与钴系锂离子电池差不多，安全性较好，而且制造成本廉价。缺点是容量低，压实不高，高温性能差，充放电中锰可能会熔化于电解质，缩短电池的寿命，主要适用于对成本比较敏感的产品。

磷酸铁锂电池与磷酸锰铁锂电池

磷酸铁锂起步较早，技术发展较为成熟，磷酸铁锂电池的正极是由橄榄石结构的LiFePO₄材料构成，负极是由碳（石墨）组成。有序规整的橄榄石型结构稳定，即使内部发热也难以损坏，而且以铁为原料，其核心优势是价格低廉，环境友好、有较高的安全性能、较好的结构稳定性与循环性能。磷酸铁系锂离子电池的优点在于，安全性高，制造成本比锰系更低。但是电压比其他的锂离子电池低。另外还存在比容量低、低温性能差、压实低、大电流性能不好等缺点，虽然CTP,纳米化，离子掺杂，导电碳包覆等技术有效帮助磷酸铁锂电池提高系统集成效率、能量密度，但磷酸铁锂本身的能量密度短板始终存在，

磷酸锰铁锂（LiMnyFe1-yPO4）---磷酸铁锂的升级版。磷酸锰铁锂属于磷酸铁锂与磷酸锰锂混掺的产物，与磷酸铁锂均为有序规整的橄榄石型结构。磷酸锰铁锂与磷酸铁锂具有相同的低成本、高安全性能，高热稳定性，针刺、过充不发生自燃，寿命长、安全无爆炸风险的优点，可以说是兼具磷酸铁锂和磷酸锰锂优点，同时还可以弥补了磷酸铁锂能量密度低的短板，因此也被誉为“磷酸铁锂的升级版本”。 虽然磷酸锰铁锂正极材料电池作为一种实用新型锂电池具备多种优点，未来甚至会成为最廉价的动力电池，但是也存在循环寿命较短、充放电能力较差等缺陷，同时受工艺及设备成本限制，目前仍处于发展阶段。

三元系锂离子电池

三元系锂离子电池是为了减少钴的用量，使用钴、镍、锰三种材料制造的电池。同时结合了三种材料优点于一身，前期由于技术原因其标称电压只有3.5-3.6V，比钴系、锰系略低，在使用范围方面有所限制，但到目前，随着配方的不断改进和结构完善，电池的标称电压已达到3.7V，在容量上已经达到或超过钴酸锂电池，锰系电池，。还可以通过调整三种材料的比例在容量与安全性方面取得均衡，其循环性能好于正常钴酸锂。

现在三元锂电池主要有三元锂NCM和三元锂NCA,三元锂NCA主要是日韩厂商采用，制作工艺要求高且成本也高，其中铝可以起到提高电池循环化学稳定性的作用，提升镍含量也可以实现更高的能量密度，目前松下供给Tesla的18650电池就是三元NCA,随着镍含量的提高，正极材料的比容量不断提高，但是材料的稳定性也随之降低，但是高能量密度仍然是市场未来的发展趋势。

富锂锰基锂离子电池

在目前已知的正极材料中，富锂锰基作为新一代的锂电正极材料，其放电比容量高达300mAh/g，是当前商业化应用磷酸铁锂和三元材料等正极材料放电比容量的两倍左右。由于材料中使用了大量的锰元素，与LiCoO2和三元材料相比，不仅价格低，而且安全性好、对环境也友好。因此，富锂锰基正极材料被认为是新一代高能量密度动力锂电池的理想之选。然而，富锂锰基材料目前仍然有不尽如人意之处：首次效率、倍率性能、循环稳定性以及循环过程中的电压逐渐衰减等，这些因素很大程度上限制了富锂锰基正极材料的商业化，导致富锂锰基材料大规模产业化仍然困难。

4. 铅酸蓄电池与锂离子电池的区别

除锂离子电池之外，还有几种能充电的电池。其中铅酸蓄电池是一百多年前就使用的历史悠久的二次电池，在锂离子电池等新型电池开发问世的现今，依然还继续应用于备用电源，储能电池，启动电源，动力电源等方面。

铅蓄电池的正负极材料都使用铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液，因而与锂离子电池相比，制造成本比较廉价。但由于铅比其他金属重，因此蓄电池自身也就重。此外，铅酸蓄电池的循环次数也远小于锂电池，单电芯电压最高只能到2V，有记忆效应，自放电现象严重等诸多缺点。同时铅酸电池对环境的污染也比较严重。

虽然铅蓄电池有着这些缺点，但是其低廉的价格以及成熟的技术及更高的安全性，使得新能源储能蓄电池，通信备用及UPS不间断电源，汽车启动电瓶（通常小型车使用12V铅酸蓄电池，大型车则使用24V铅酸蓄电池），电动自行车及特种低速车动力电池等等方面仍大量使用铅酸蓄电池。

铅蓄电池与锂离子电池的比较

5. 锂离子电池被用于哪些领域

早在1991年，索尼发布了人类历史上第一个商用锂离子电池，这家公司把几节钴酸锂18650圆柱形锂电池装进最新款的CCD-TR1摄像机里的时候，整个世界的消费类电子产品，以及汽车的面貌从此被彻底改写，也创立了整整一个新的产业。

其后，随着迅速普及的手机及数码产品，可穿戴电子设备等等，市场需求越来越高涨。

如今锂离子电池已被广泛用于我们生活中的各个场景，诸如智能手机、笔记本电脑，以及电动汽车、电动自行车等各个领域。

6. 锂离子电池的安全性如何

锂离子电池可以说是高储能罐，比其它使用水溶液的二次电池更需要考虑安全性。

锂元素具有极活泼的化学性质，锂离子电池比能量极高，是镍镉，镍氢等二次电池的数倍，若受到冲击，碰撞，发生热失控，就会放出很高的热量导致爆燃。并且锂离子电池电解质的溶剂是碳氢化合物，易发生强烈氧化，反应引发的热量导致电池出现泄露，则更易出现着火，燃烧，爆炸等危险情况。

锂离子电池如果对其过充电、过放电或过电流工作时，就很容易会导致电池内部发生化学副反应；该副反应加剧后，会严重影响电池的性能与使用寿命，并可能产生大量的气体，使电池内部的压力迅速增大后爆炸起火而导致安全问题。

虽然锂离子电池具有诸多危险隐患，但是在特定的使用条件下，以及采用一定的措施是可以有效地控制电芯内副反应和剧烈反应的发生，保证其使用安全的。

从制造端来说，我们应该选用安全系数更高的材料，包括正极材料，负极材料，有强抗穿刺能力的隔膜，以及化学稳定的电解液，

同时应提高制造工艺水平，避免较差的生产环境中混入杂质，

电芯结构设计时结合不同材料的特性，增加安全阀及绝缘保护装置，在锂电池组端还需要配备过充过放高温监控等电池保护板。

随着设计及工艺水平的提高，锂离子电池的安全性将更加可控。