第七章：锂电池

第一个商用锂离子化学电池于1990年进入市场，主要基于德克萨斯大学约翰·古迪纳夫博士的工作。从1991年推出到21世纪初，锂离子电池的销量随着需求的增长而增长，成为世界上产量最高的电池，2013年每年生产约6.6亿个小型圆柱形电池和另外7亿个小型聚合物（袋）型电池（TrendForce,2013）。

锂离子电池迅速成为大多数小型电子产品的首选电池，因为它比市场上的同类电池含有更高的能量密度。这意味着，你可以制造出一种能量与镍氢电池相同的电池，但它的尺寸和重量都只有镍氢电池的一半。对于便携式电源应用，如笔记本电脑和手机，这意味着更长的运行时间和更长的电池寿命。

锂离子电池是如何工作的呢？嗯，事实上，它的工作原理和其他类型的电池很像，当施加电流时，离子被强迫从阳极到阴极。在锂离子电池中，当阴极内的锂离子通过电解质介质转移到阳极时，就会产生能量流，这代表了充电事件。放电事件由锂离子通过电解质介质从阳极转移到阴极来表示（下面的图3）。这对我们大多数人来说似乎是违反直觉的，但是当电池放电时，离子从阳极传递到阴极。在下面的图表中显示了充电事件，锂离子从阴极材料通过电解质进入分离器，然后再通过电解质进入阳极材料。这个动作产生了一个电压流到铜集热器，在一个闭环中，到正集热器。

与镍基和铅基电池相比，锂离子化学物质的另一个好处是电压更高。典型的镍氢和镍镉可充电电池的标称电压约为1.2-1.5V，而锂离子电池的标称电压通在3.2-3.8V之间。具有更高的电压很重要，因为这意味着您需要将更少的电池串联在一起，以达到所需的电池组电压。例如，一个350V的镍氢电池组可能需要292个电池才能达到这个电压（350V/1.2V=292个电池）。而锂离子电池组只需要大约98个电池就能达到相同的系统电压（350V/3.6V=98个电池）。

除了具有更高的电压和能量密度外，锂离子电池还具有更低的自放电率。这意味着当电池在时，其自然容量会随着时间的推移而损失储存比其他化学物质少，许多锂离子化学物质每月只损失1-5%。存储过程中的容量损失有两种类型，可逆和永久性。可逆容量损失是指在存储过程中损失的能量，但一旦电池再次循环就会恢复。永久损失是那部分再也无法恢复的能量。

随着时间的推移，几乎所有的锂离子化学物质都有一定程度的可逆容量损失，其中一些通常是永久性的。最后，锂离子化学物质往往比其他化学物质具有更好的循环寿命。PbA在达到EOL之前可能只能进行300-500次循环，而锂离子在100%放电深度（DOD）循环中可以在达到EOL之前进行数千次完全放电循环。如果我们着眼于部分循环，随着DOD的减少，锂离子电池将能够实现数万次循环。例如，如果我们看一下典型的锂离子化学，它可以使用100%的DOD达到1000次循环，但如果我们使用相同的电池，只使用其总可用能量的80%，我们会发现我们现在可以进行几千次循环。

下面的表5总结了目前使用的一些最常见的锂离子化学物质的一些一般性能特征，包括镍锰钴（NMC）、镍钴铝（NCA）、磷酸铁锂（LFP）、钛酸锂（LTO）、氧化锰锂（LMO）和氧化钴锂（LCO）。

锂离子电池的组件相对较少，实际上只有大约5个主要组件，一个电池的典型材料清单可能只有10到20个项目（图4）。不考虑外形因素，电池的主要组成部分是阴极，这是一种铝箔，在许多设计中，它被涂上了活性阴极材料。第二个组件是阳极，是一层镀有阳极活性材料的铜箔。这两种涂覆的箔通过使用隔膜材料来保持分离，隔膜材料通常由某种类型的聚丙烯（PP）或聚乙烯（PE）塑料制成。这就形成了果冻卷，然后将其插入容器或外壳中。这可以是一个金属罐，一个塑料外壳，或一个金属箔型袋。然后将电解液注入该组件。然后整个组件被密封，准备进入电池制造的下一个阶段。图5显示了锂离子电池主要组件与成本的关系的高级描述。