一文解析鋰電池工作原理及應用

　　鋰電池簡介

　　鋰電池，是早期由愛迪生發明的一種由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池，其工作原理為一種Li+MnO2=LiMnO2的氧化還原反應。由於鋰金屬的化學特性非常活潑，使得其長期沒有得到廣泛應用，但現在隨著科學技術的高速發展，鋰電池逐漸成為主流。

　　

　　鋰電池的發展階段

　　1、1970年代埃克森的M.S.Whittingham採用硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負極材料，製成首個鋰電池。

　　2、1980年，J. Goodenough 發現鈷酸鋰可以作為鋰離子電池正極材料。

　　3、1982年伊利諾伊理工大學（the Illinois Institute of Technology）的R.R.Agarwal和J.R.Selman發現鋰離子具有嵌入石墨的特性，此過程是快速的，並且可逆。與此同時，採用金屬鋰製成的鋰電池，其安全隱患備受關注，因此人們嘗試利用鋰離子嵌入石墨的特性製作充電電池。首個可用的鋰離子石墨電極由貝爾實驗室試製成功。

　　4、1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人發現錳尖晶石是優良的正極材料，具有低價、穩定和優良的導電、導鋰性能。其分解溫度高，且氧化性遠低於鈷酸鋰，即使出現短路、過充電，也能夠避免了燃燒、爆炸的危險。

　　5、1989年，A.Manthiram和J.Goodenough發現採用聚合陰離子的正極將產生更高的電壓。

　　6、1991年索尼公司發布首個商用鋰離子電池。隨後，鋰離子電池革新了消費電子產品的面貌。

　　7、1996年Padhi和Goodenough發現具有橄欖石結構的磷酸鹽，如磷酸鋰鐵（LiFePO4），比傳統的正極材料更具優越性，因此已成為當前主流的正極材料。

　　

　　鋰電池的分類

　　1、按鋰電池的外型分：方型鋰電池（如常用的手機電池電芯）和柱形鋰電池（如18650）；

　　2、按鋰電池外包材料分：鋁殼鋰電池，鋼殼鋰電池，軟包電池；

　　3、按鋰電池正負極材料（添加劑）分：沽酸鋰（LiCoO2）電池或錳酸鋰（LiMn2O4），磷酸鐵鋰電池，一次性二氧化錳鋰電池；另一種分法：鋰離子LIB，聚合物PLB

　　4、不同的性能用途方面分：

　　一次性鋰電池－－－鋰錳電池－－扣式3伏電池

　　高容量（高平臺）鋰電池－－用在手機數碼產品上

　　高倍率鋰電池；－－－用在電動車和電動工具上及飛機模型

　　高溫鋰電池；－－－礦燈，室上燈飾，機器內置後備電源；

　　低溫鋰電池；－－－室外環境，北方（冬天）南極；

　　5、鋰電池還分成兩類：不可充電的和可充電兩類。

　　

　　鋰電池的結構

　　鋰電池在結構上主要有五大塊：正極、負極、電解液、隔膜、外殼與電極引線。

　　目前較為常用的鋰電池材料有鈷酸鋰、鎳酸鋰以及錳酸鋰。用得最多的材料是鈷酸鋰，循環性能好，製造也方便，缺點是鈷化合物價格較貴。鎳酸鋰的因為性質不穩定，製造困難，通常用得較多的是鈷酸鋰摻雜鎳的化合物，又稱鎳鈷酸鋰。錳酸鋰也是非常好的材料，在高溫下錳酸鋰的衰減比較快等諸多原因，目前應用多數還停留在實驗室階段。

　　鋰電池的結構主要分卷繞式和層疊式兩大類。液態鋰電池採用卷繞結構，聚合物鋰電池則兩種都有。卷繞式將正極膜片、隔膜、負極膜片依次放好，卷繞成圓柱形或扁柱形，主要以SANYO、TOSHIBA、SONY、ATL為代表。層疊式則將正極、隔膜、負極、隔膜、正極這樣的方式多層堆疊。將所有正極焊接在一起引出，負極也焊成一起引出，主要以ATL為代表。

　　鋰電池工作原理

　　1、充電時

　　在電場的驅動下鋰離子從正極晶格中脫出，經過電解質，嵌入到負極晶格中。

　　充電開始時，應先檢測待充電電池的電壓，如果電壓低於3V，要先進行預充電，充電電流為設定電流 的1/10，一般選0.05C左右。電壓升到3V後，進入標準充電過程。標準充電過程為：以設定電流進行恆流充電，電池電壓升到4.20V時，改為恆壓充電，保持充電電壓為4.20V。此時，充電電流逐漸下降，當電流下降至設定充電電流的1/10時，充電結束。

　　一般鋰電池充電電流設定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，同時電池發熱也越大。而且，過大的電流充電，容量不夠滿，因為電池內部的電化學反應需要時間。就跟倒啤酒一樣，倒太快的話會產生泡沫，反而不滿。

　　術語解釋：充放電電流一般用C作參照，C是對應電池容量的數值。電池容量一般用Ah、mAh表示，如M8的電池容量1200mAh，對應的C就是1200mA。0.2C就等於240mA。

　　下面是鋰電池典型充電曲線圖：

　　

　　2、放電時

　　過程正好相反鋰離子返回正極，電子通過用電器由外電路到達正極與鋰離子複合。

　　從典型放電曲線圖上可以看出，電池放電電流越大，放電容量越小，電壓下降更快。

　　

　　鋰電池的應用

　　一、交通動力電源領域主要包括

　　1、電動自行車

　　2、電動摩託車

　　3、電動汽車（混合動力與純動力）

　　4、電動大巴/中巴車（純電動和混合動力）

　　5、電動特種車（電動高爾夫車，電動旅遊觀光車，電動工程車，電動掃地機，電動叉車，警用巡邏車，電動平衡車等）

　　二、電力儲能電源領域主要包括：

　　1、大型太陽能/風能電力儲能系統

　　2、電網調峰電源

　　3、電力專用不間斷電源系統

　　4、一體化電源系統

　　5、光伏離網併網儲能電站系統

　　三、移動通信電源領域主要包括：

　　1、宏基站一體化鋰電池電源

　　2、戶外一體化基站鋰電池電源

　　3、邊際網基站鋰電池電源

　　4、非物理站點鋰電池備電

　　5、FTTX的多種鋰電池備電

　　6、通信機樓336V HVDC數據中心備電

　　7、可再生能源（鐵鋰電池+光伏+…）基站電源

　　8、IDC機樓的鐵鋰電池儲能電站

　　

　　四、新能源儲能動力電源

　　1、太陽能路燈、草坪燈、礦燈、應急燈、庭院燈、高杆燈

　　2、起動電源（汽車、摩託車、鐵路內燃機車、電力機車、客車起動等的電源）

　　3、電動工具（電鑽，碾磨器，電動螺母等）

　　4、電動玩具

　　5、電動割草機，電動捕魚器等

　　6、電動模型、航模

　　7、電動機器人

　　五、航天軍工電源

　　大型艦船類動力電源（航線、戰船、大型郵輪、貨輪等）

　　航空飛行器所用動力電源（大型民航客機、商務飛機、直升機、戰鬥機等飛行器具所用動力電源）

　　航天載具動力電源系統（太空梭、衛星、火箭、飛彈等）

　　軍用裝甲，民用大型挖掘器械所用動力電源（坦克、裝甲車、軍用大型裝甲車輛、民用大型挖掘器械、大型吊車等）

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