鉅大LARGE | 點擊量：1522次 | 2022年03月18日
鋰電池技術知識
一、電池發(fā)展史
1、電池的誕生：
基于人們對于獲取持續(xù)而穩(wěn)定的電流的需要。不過，電池的發(fā)明，是來源于一次青蛙的解剖實驗所產(chǎn)生的靈感，多少有些偶然。
1780年的一天，意大利解剖學家伽伐尼（LuigiGalvani）在做青蛙解剖時，兩手分別拿著不同的金屬器械，無意中同時碰在青蛙的大腿上，青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到電流的刺激，而如果只用一種金屬器械去觸動青蛙，就無此種反應。伽伐尼認為，出現(xiàn)這種現(xiàn)像是因為動物軀體內(nèi)部產(chǎn)生的一種電，他稱之為“生物電”。
2、“本生電池”和“格羅夫電池”：
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1836年，英國的丹尼爾對“伏特電堆”進行了改良，又陸續(xù)有效果更好的“本生電池”和“格羅夫電池”等問世。然而在當時，無論哪種電池都需在兩個金屬板之間灌裝液體，搬運很不方便，特特別是蓄電池所用液體是硫酸，在挪動時很危險。
3、干電池的誕生：
干電池在19世紀中后期誕生。法國的雷克蘭(GeorgeLeclanche)在1860年發(fā)明一種新型電池。它的負極是鋅和汞的合金棒(鋅－伏特原型電池的負極，經(jīng)證明是作為負極材料的最佳金屬之一)，而它的正極是以一個多孔的杯子盛裝著碾碎的二氧化錳和碳的混合物。在此混合物中插有一根碳棒作為電流收集器。負極棒和正極杯都被浸在作為電解液的氯化銨溶液中。此系統(tǒng)被稱為“濕電池”。雷克蘭士制造的電池雖然簡陋但卻便宜，到1880年，這種電池被改進的“干電池”取代。負極被改進成鋅罐（即電池的外殼），電解液變?yōu)楹隣疃且后w，基本上這就是現(xiàn)在我們所熟知的碳鋅電池。
4、可充電電池：
在干電池技術的不斷發(fā)展過程中，新的問題又出現(xiàn)了。人們發(fā)現(xiàn)，干電池盡管使用方便、價格低廉，但用完即廢，無法重新利用。另外，由于以金屬為原料容易造成原材料浪費，廢棄電池還會造成環(huán)境污染。于是，能夠經(jīng)過多次充電放電循環(huán)，反復使用的蓄電池成為新的方向。
蓄電池的最早出現(xiàn)時間同樣可以追溯到1860年。當年，法國人普朗泰（GastonPlante）發(fā)明出用鉛做電極的電池。這種電池的獨特之處是，當電池使用一段時間電壓下降時，可以給它通以反向電流，使電池電壓回升。因為這種電池能充電，并可反復使用，所以稱它為“蓄電池”。1890年，愛迪生發(fā)明可充電的鐵鎳電池，1910年可充電的鐵鎳電池商業(yè)化生產(chǎn)。
?5、鋰離子電池：
進入20世紀后，電池理論和技術一度處于停滯狀態(tài)，但在二次世界大戰(zhàn)之后，隨著一些基礎研究在理論上取得突破、新型電極材料的開發(fā)和各類用電器具日新月異的發(fā)展，電池技術又進入了一個快速發(fā)展的時期，科學家首先發(fā)展了堿性鋅錳電池。
進入80年代，科學技術發(fā)展越發(fā)迅速，對化學電源的要求也日益增多、增高。如集成電路的發(fā)展，要求化學電源必須小型化；電子器械、醫(yī)療器械和家用電器的普及不僅要求化學電源體積小，而且還要求能量密度高、密封性和貯存性能好、電壓精度高。因此電池池的研究重點轉(zhuǎn)向蓄電池，1988年，鎳鎘電池實現(xiàn)商品化。1992年，鋰離子電池實現(xiàn)商品化，1999年，聚合物鋰離子蓄電池進入市場。
?1956年Energizer.制造第一個9伏電池；
1956年我國建設第一個鎳鎘電池工廠（風云器材廠（755廠）；
1960前后UnionCarbide.商業(yè)化生產(chǎn)堿性電池，我國開始研究堿性電池（西安慶華
廠等三家合作研發(fā)）；
1970前后出現(xiàn)免維護鉛酸電池；
1970前后一次鋰電池實用化；
1976年PhilipsResearch的科學家發(fā)明鎳氫電池；
1980前后開發(fā)出穩(wěn)定的用于鎳氫電池的合金；
1983年我國開始研究鎳氫電池（南開大學）；
1987年我國改進鎳鎘電池工藝，采用發(fā)泡鎳，電池容量提升40％；
1987前我國商業(yè)化生產(chǎn)一次鋰電池；
1989年我國鎳氫電池研究列入國家計劃；
1990前出現(xiàn)角型（口香糖型）電池；
1990前后鎳氫電池商業(yè)化生產(chǎn)；
1991年Sony.可充電鋰離子電池商業(yè)化生產(chǎn)；
1992年KarlKordesch,JosefGsellmannandKlausTomantschger取得堿性充電電
池專利；
1992年BatteryTechnologies,Inc.生產(chǎn)堿性充電電池；
1995年我國鎳氫電池商業(yè)化生產(chǎn)初具規(guī)模；
1999年可充電鋰聚合物電池商業(yè)化生產(chǎn)；
2000年我國鋰離子電池商業(yè)化生產(chǎn)；
2000后燃料電池，太陽能電池、磷酸鐵鋰電池成為全世界矚目的新能源發(fā)展問題的焦
點，中南大學處于國內(nèi)領先地位。
二、鋰離子電池基本原理
1、鋰離子電池的主要組成：
（1）正極——活性物質(zhì)主要指鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰等，導電集流體一般使用厚度在10--20微米的鋁箔；
（2）隔膜——一種特殊的塑料膜，可以讓鋰離子通過，但卻是電子的絕緣體，目前主要有PE和PP兩種及其組合。還有一類無機固體隔膜，如氧化鋁隔膜涂層就是一種無機固體隔膜，；
（3）負極——活性物質(zhì)主要指石墨、鈦酸鋰、或近似石墨結(jié)構的碳材料，導電集流體一般使用厚度在7-15微米的銅箔；
（4）電解液——一般為有機體系，如溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑，另有些聚合物電池使用凝膠狀電解液；
（5）電池外殼——主要分為硬殼（鋼殼、鋁殼、鍍鎳鐵殼等）和軟包（鋁塑膜）兩種。
2、機理簡介：
當對電池進行充電時，正極的含鋰化合物有鋰離子脫出，鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極。負極的炭材料呈層狀結(jié)構，它有很多微孔，到達負極的鋰離子嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。當對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。在鋰離子電池的充放電過程中，鋰離子處于從正極→負極→正極的運動狀態(tài)。這就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就在搖椅兩端來回運動。所以鋰離子電池又叫搖椅式電池。
2、充放電機理：
鋰離子電池的充電過程分為兩個階段：恒流充電階段和恒壓電流遞減充電階段。鋰離子電池過度充放電會對正負極造成永久性損壞。過度放電導致負極碳片層結(jié)構出現(xiàn)塌陷，而塌陷會造成充電過程中鋰離子無法插入；過度充電使過多的鋰離子嵌入負極碳結(jié)構，而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來。鋰離子電池保持性能最佳的充放電方式為淺充淺放。一般60%DOD是100%DOD條件下循環(huán)壽命的2~4倍。
3、電池的容量：
電池的容量有額定容量和實際容量之分。電池的額定容量是指電池在環(huán)境溫度為20℃±5℃條件下，以5h率放電至終止電壓時所應提供的電量，用C5表示。電池的實際容量是指電池在一定的放電條件下所放出的實際電量，主要受放電倍率和溫度的影響（故嚴格來講，電池容量應指明充放電條件）。
容量單位：mAh、Ah(1Ah=1000mAh)。
3、電池內(nèi)阻：
電池內(nèi)阻是指電池在工作時，電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力。有歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻兩部分組成。電池內(nèi)阻值大，會導致電池放電工作電壓降低，放電時間縮短。內(nèi)阻大小主要受電池的材料、制造工藝、電池結(jié)構等因素的影響。電池內(nèi)阻是衡量電池性能的一個重要參數(shù)。
4、放電平臺時間：
放電平臺時間是指在電池滿電情況下放電至某電壓的放電時間。例對某三元電池測量其3.6V的放電平臺時間，以恒壓充到電壓為4.2V，并且充電電流小于0.02C時停止充電即充滿電后，然后擱置10分鐘，在任何倍率的放電電流下放電至3.6V時的放電時間即為該電流下的放電平臺時間。
因某些使用鋰離子電池的用電器的工作電壓都有電壓要求，如果低于要求值，則會出現(xiàn)無法工作的情況。所以放電平臺是衡量電池性能好壞的重要標準之一。
5、充放電倍率：
充放電倍率是指電池在規(guī)定的時間內(nèi)放出其額定容量時所需要的電流值，1C在數(shù)值上等于電池額定容量，通常以字母C表示。如電池的標稱額定容量為10Ah，則10A為1C（1倍率），5A則為0.5C，100A為10C，以此類推。
?6、自放電率：
自放電率又稱荷電保持能力，是指電池在開路狀態(tài)下，電池所儲存的電量在一定條件下的保持能力。主要受電池的制造工藝、材料、儲存條件等因素的影響。是衡量電池性能的重要參數(shù)。
7、效率：
充電效率：是指電池在充電過程中所消耗的電能轉(zhuǎn)化成電池所能儲存的化學能程度的量度。主要受電池工藝，配方及電池的工作環(huán)境溫度影響，一般環(huán)境溫度越高，則充電效率要低。
放電效率是指在一定的放電條件下放電至終點電壓所放出的實際電量與電池的額定容量之比，主要受放電倍率，環(huán)境溫度，內(nèi)阻等因素影響，一般情況下，放電倍率越高，則放電效率越低。溫度越低，放電效率越低。
8、循環(huán)壽命：
電池循環(huán)壽命是指電池容量下降到某一規(guī)定的值時，電池在某一充放電制度下所經(jīng)歷的充放電次數(shù)。鋰離子電池GB規(guī)定，1C條件下電池循環(huán)500次后容量保持率在60%以上。
9、電壓高：
單體電池工作電壓高達3.7V，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，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數(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。
10、質(zhì)量比能量大：
鋰離子電池質(zhì)量比能量高達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、鎳氫電池可能會進一步漲價，鋰離子動力電池成本反而是進一步降低的。電動自行車用鋰離子電池重量為3-5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10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，運動休閑兼得。
11、體積比能量大：
鋰離子電池體積比能量高達到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)構和更美觀的外形的設計條件、設計空間和可能性?，F(xiàn)階段由于鉛酸電池體積、重量的限制，設計師們的設計思想受到極大約束，導致現(xiàn)階段的電動自行車在結(jié)構和外觀上“千車一面”、雷同相似、單調(diào)劃一。而鋰離子電池的使用，給設計師們提供了展示設計思想和設計風格的更大空間及條件。
12、循環(huán)壽命長：
鋰離子電池循環(huán)次數(shù)可達1000次。以容量保持80%計，電池組100%充放電循環(huán)次數(shù)可以達到500次以上，使用年限可達3-5年,壽命約為鉛酸電池的兩到三倍。隨著技術的革新，設備的提高，電池的壽命會越來越長，性價比會越來越高。
13、自放電率低：
鋰離子電池自放電率每月不到5%。而鎳鎘、鎳氫、鉛酸電池普遍高于20%；
14、無記憶效應：
鋰離子電池每次充電前不必像鎳鎘電池、鎳氫電池一樣需要放電，可以隨時隨地的進行充電。
15、環(huán)境適應性強：
鋰離子動力電池可在-20℃～+55℃之間工作，適合低溫使用，而水溶液電池(比如鉛酸電池、鎳氫電池)在低溫時，由于電解液流動性變差會導致性能大大降低。
16、綠色能源：
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），相應企業(yè)的成本也會增加。所以鋰離子動力電池是電池行業(yè)的發(fā)展方向。
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