锂电池是一类由锂金属或锂合金为正/负极材料、使用非水电解质溶液的电池。

锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生，其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制，只有少数几个国家的公司在生产这种锂金属电池。

工作原理

锂电池基本原理

锂金属电池：

锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。

放电反应：Li+MnO2=LiMnO2

锂离子电池：

锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。

正极

正极材料：可选的正极材料很多，目前市场常见的正极活性材料如下表所示:

正极材料 化学成分 标称电压 结构 能量密度 循环寿命 成本 安全性
钴酸锂(LCO) LiCoO2 3.7 V 层状 中 低 高 低
锰酸锂(LMO) Li2Mn2O4 3.6V 尖晶石 低 中 低 中
镍酸锂(LNO) LiNiO2 3.6V 层状 高 低 高 低
磷酸铁锂(LFP) LiFePO4 3.2 V 橄榄石 中 高 低 高
镍钴铝三元(NCA) LiNixCoyAl(1-x-y)O2 3.6V 层状 高 中 中 低
镍钴锰三元(NCM) LiNixCoyMn(1-x-y)O2 3.6V 层状 高 高 中 低

正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。

负极

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。

负极反应：放电时锂离子脱嵌，充电时锂离子嵌入。

早期研发

锂电池最早期应用在心脏起搏器中。锂电池的自放电率极低，放电电压平缓等优点，使得植入人体的起搏器能够长期运作而不用重新充电。

种类

代号 化学成份分类 正极 电解液 负极 公称电压 附注
B 锂-氟化石墨电池 氟化石墨（一种氟化碳） 非水系有机电解液 锂 3.0V 无
C 锂-二氧化锰电池 热处理过的二氧化锰 高氯酸锂非水系有机电解液 锂 3.0V 最常见的一次性3V锂电池，常简称锂锰电池
E 锂-亚硫酰氯电池 亚硫酰氯 四氯铝酸锂非水系有机电解液 锂 3.6V或3.5V 无
F 锂-硫化铁电池 硫化铁 非水系有机电解液 锂 1.5V 可用来替代一般1.5V碱性电池，常简称锂铁电池
G 锂-氧化铜电池 氧化铜 非水系有机电解液 锂 1.5V 无

主要材料

碳负极材料

实际用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料，如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。

电池膨胀损坏

锂电池芯过充到电压高于 4.2V 后，会开始产生副作用。过充电压愈高，危险性也跟着愈高。锂电芯电压高于 4.2V 后，正极材料内剩下的锂原子数量不到一半， 此时储存格常会垮掉， 让电池产生永久性的容量损失。 如果继续充电，由于负极的储存格已经装满了锂原子，后续的锂金属会堆积于负极材料表面。这些锂原子会由负极表面往锂离子来的方向长出树枝状结晶。这些锂金属结晶会穿过隔膜，使正负极短路。有时在短路发生前电池就先爆炸，这是因为在过充过程，电解液等材料会分解产生气体，使得电池外壳或压力阀鼓胀破裂，让氧气进去与堆积在负极表面的锂原子反应，进而爆炸。

因此，锂电池充电时，一定要设定电压上限， 才可以同时兼顾到电池的寿命、容量、和安全性。最理想的充电电压上限为 4.2V。 锂电芯放电时也要有电压下限。 当电芯电压低于 2.4V 时， 部分材料会开始被破坏。 又由于电池会自放电， 放愈久电压会愈低，因此，放电时最好不要放到 2.4V 才停止。锂电池从 3.0V 放电到 2.4V 这段期间，所释放 的能量只占电池容量的 3%左右。因此，3.0V 是一个理想的放电截止电压。 充放电时，除了电压的限制，电流的限制也有其必要。电流过大时，锂离子来不及进入储存格，会聚集于材料表面。

爆炸原因

1、内部极化较大；

2、极片吸水，与电解液发生反应气鼓；

3、电解液本身的质量、性能问题；

4、注液时候注液量达不到工艺要求；

5、装配制程中激光焊接密封性能差，测漏气时漏气；

6、粉尘、极片粉尘首先易导致微短路；

7、正负极片较工艺范围偏厚，入壳难；

8、注液封口问题，钢珠密封性能不好导致气鼓；

9、壳体来料存在壳壁偏厚，壳体变形影响厚度；

10、外面环境温度过高也是导致爆炸的主要原因。

爆炸类型

爆炸类型分析电池芯爆炸的类形可归纳为外部短路、内部短路、及过充三种。

电池特点

优点

1．能量比较高。具有高储存能量密度，已达到460-600Wh/kg，是铅酸电池的约6-7倍；

2．使用寿命长，使用寿命可达到6年以上，磷酸亚铁锂为正极的电池1C（100%DOD）充放电，有可以使用10,000次的记录；

3．额定电压高（单体工作电压为3.7V或3.2V），约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压，便于组成电池电源组；锂电池可以通过一种新型的锂电池调压器的技术，将电压调至3.0V，以适合小电器的使用。

4．具备高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30C充放电的能力，便于高强度的启动加速；

5．自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一，一般可做到1%/月以下，不到镍氢电池的1/20；

6．重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/6-1/5；

7．高低温适应性强，可以在-20℃–60℃的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在-45℃环境下使用；

8．绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。

9．生产基本不消耗水，对缺水的我国来说，十分有利。

比能量指的是单位重量或单位体积的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L来表示。Wh是能量的单位，W是瓦、h是小时；kg是千克(重量单位)，L是升（体积单位）。

缺点

1．锂原电池均存在安全性差，有发生爆炸的危险。

2．钴酸锂的锂离子电池不能大电流放电，价格昂贵，安全性较差。

3．锂离子电池均需保护线路，防止电池被过充过放电。

4．生产要求条件高，成本高。

5．使用条件有限制，高低温使用危险大。

电池特征

  1. 高能量密度锂离子电池的重量是相同容量的镍镉或镍氢电池的一半，体积是镍镉的20-30%，镍氢的35-50%。
  2. 高电压一个锂离子电池单体的工作电压为3.7V（平均值），相当于三个串联的镍镉或镍氢电池。
  3. 无污染锂离子电池不含有诸如镉、铅、汞之类的有害金属物质。
  4. 不含金属锂锂离子电池不含金属锂，因而不受飞机运输关于禁止在客机携带锂电池等规定的限制。
  5. 循环寿命高在正常条件下，锂离子电池的充放电周期可超过500次，磷酸亚铁锂则可以达到2000次。
  6. 无记忆效应记忆效应是指镍镉电池在充放电循环过程中，电池的容量减少的现象。锂离子电池不存在这种效应。
  7. 快速充电使用额定电压为4.2V的恒流恒压充电器，可以使锂离子电池在1.5-2.5个小时内就充满电；而新开发的磷铁锂电池，已经可以在35分钟内充满电。

延长寿命

  1. 如果长期用外接电源为笔记本电脑供电，或者电池电量已经超过80%，马上取下电池。平时充电不需将电池充满，充至80%左右即可。调整操作系统的电源选项，将电量警报调至20%以上，平时电池电量最低不要低于20%。
  2. 手机等小型电子设备，充好电就应立刻断开电源线 （包括充电功能的USB接口），一直连接会损害电池。要经常充电，但不必非得把电池充满。
  3. 无论是对笔记本还是手机等，都一定不要让电池耗尽（自动关机）。
  4. 如果要外出旅行，可把电池充满，但在条件允许的情况下随时为电器充电。
  5. 使用更为智能省电的操作系统。

●锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正、负极的二次电池。

●正极：LiCoO2 + 导电剂 + 粘合剂 + 集流体（铝箔）

LiCoO2 (10μm): 96.0%

导电剂（Carbon ECP） 2.0%

粘合剂（PVDF 761） 2.0%

NMP（增加粘结性）: 固体物质的重量比约为 810:1496

正极活性物质：

钴酸锂：正极活性物质，锂离子源，为电池提高锂源。非极性物质，不规则形

状，粒径 D50 一般为 6-8 μm，含水量≤0.2%，通常为碱性，pH 值为 10-11

左右。

锰酸锂：非极性物质，不规则形状，粒径 D50 一般为 5-7 μm，含水量≤0.2%，

通常为弱碱性，pH 值为 8 左右。

三元材料则是镍钴锰酸锂Li(NiCoMn)O2，三元复合正极材料前驱体产品，是以镍盐、钴盐、锰盐为原料，里面镍钴锰的比例可以根据实际需要调整，三元材料做正极的电池相对于钴酸锂电池安全性高，钴酸锂和三元材料都是良好的锂电池正极材料，但是其化学特性各有差异，因此，针对其不同的化学特性，应用领域也有所不同。

导电剂：链状物，含水量< 1%，粒径一般为 1-5 μm。通常使用导电性优异的超导碳黑，其作用：

提高正极材料的导电性，补偿正极活性物质的电子导电性

提高正极片的电解液的吸液量，增加反应界面，减少极化。

PVDF 粘合剂：非极性物质，链状物，分子量从 300,000 到 3,000,000 不等；吸水 后分子量下降，粘性变差。用于将钴酸锂、导电剂和铝箔或铝网粘合在一起。

NMP：弱极性液体，用来溶解/溶胀 PVDF，同时用来稀释浆料。

集流体（正极引线）：由铝箔或铝带制成。

负极：石墨 + 导电剂 + 增稠剂（CMC）+ 粘结剂（SBR）+ 集流体（铜箔）

添加剂：降低不可逆反应，提高粘附力，提高浆料黏度，防止浆料沉淀

增稠剂/防沉淀剂（CMC）：高分子化合物，易溶于水和极性溶剂。

异丙醇：弱极性物质，加入后可减小粘合剂溶液的极性，提高石墨和粘合剂溶 液的相容性；具有强烈的消泡作用；易催化粘合剂网状交链，提高粘结强度。

乙醇：弱极性物质，加入后可减小粘合剂溶液的极性，提高石墨和粘合剂溶液 的相容性；具有强烈的消泡作用；易催化粘合剂线性交链，提高粘结强度 （异丙醇和乙醇的作用从本质上讲是一样的，大批量生产时可考虑成本因素然 后选择添加哪种）

●锂电池的一些标准如下:

电性能：

\1. 额定容量：0.5C 放电，单体电池放电时间不低于 2h，电池组放电时间不低于 1h54min（95%）；

\2. 1C 放电容量：1C 放电，单体电池放电时间不低于 57min（95%），电池组放电时间不低于54min（90%）；

\3. 低温放电容量：-20°C 下 0.5C 放电，单体或电池组放电时间均不低于 1h12min（60%）；

\4. 高温放电容量：55°C 下 0.5C 放电，单体电池放电时间不低于 1h54min（95%），电池组 放电时间不低于 1h48min（90%）；

\5. 荷电保持及恢复能力：满电常温下搁置 28 天，荷电保持放电时间不低于 1h36min（80%），荷电恢复放电时间不低于 1h48min（90%）；

\6. 储存性能：进行贮存试验的单体电池或电池组应选自生产日期不足 3 个月的，贮存前充5 0％～60％的容量，在环境温度 40℃±5°C，相对湿度 45％～75％的环境贮存 90 天。贮存期满后取出电池组，用 0.2C 充满电搁置 1h 后，以 0.5C 恒流放电至终止电压,上述试验可重复测试 3 次，放电时间不低于 1h12min（60%）；

\7. 循环寿命：电池或电池组采用 0.2C 充电，0.5C 放电做循环，当连续两次放电容量低于 72 min（60%）时停止测试，单体电池循环寿命不低于 600 次（钴酸锂）、三元500次、锰酸锂200次，电池组循环寿命不低于 500（钴酸锂）次三元350次、锰酸锂150次；

\8. 高温搁置寿命：应选自生产日期不足三个月的单体电池的进行高温搁置寿命试验，进行搁置前应充入 50%±5%的容量，然后在环境温度为 55℃±2°C 的条下搁置 7 天。7 天后将电 池取出，在环境温度为 20℃±5°C 下搁置 2～5h。先以 0.5C 将电池放电至终止电压，0.5h 后按 0.2C 进行充电，静置 0.5h 后，再以 0.5C 恒流放电至终止电压，以此容量作为恢复容量。以上步骤为 1 周循环，直至某周放电时间低于 72min（60%）,试验结束。搁置寿命不低于 56 天（8 周循环）。

安全性能：

\1. 持续充电：将单体电池以 0.2ItA 恒流充电，当单体电池端电压达到充电限制电压时，改为 恒压充电并保持 28d，试验结束后，应不泄漏、不泄气、不破裂、不起火、不爆炸（相当 于满电浮充）。

\2. 过充电：将单体电池用恒流稳压源以 3C 恒流充电，电压达到 10V 后转为恒压充电，直到 电池爆炸或起火或充电时间为 90min 或电池表面温度稳定（45min 内温差≤2°C）时停止充 电，电池应不起火、不爆炸（3C10V）；将电池组用稳压源以 0.5ItA 恒流充电，电压达到 n×5V（n 为串联单体电池数）后转为恒压充电，直到电池组爆炸或起火或充电时间为 90m in 或电池组表面温度稳定（45min 内温差≤2°C）时停止充电，电池应不起火、不爆炸。

\3. 强制放电（反向充电）：将单体电池先以 0.2ItA 恒流放电至终止电压，然后以 1ItA 电流对 电池进行反向充电，要求充电时间不低于 90min，电池应不起火、不爆炸；将电池组其中 一只单体电池放电至终止电压，其余均为充满电态的电池，再以 1ItA 恒流放电至电池组的 电压为 0V 时停止放电，电池应不起火、不爆炸。

\4. 短路测试：将单体电池经外部短路 90min，或电池表面温度稳定（45min 内温差≤2°C）时 停止短路，外部线路电阻应小于 50mΩ，电池应不起火、不爆炸；将电池组的正负极用小 于电阻 0.1Ω 的铜导线连接直至电池组电压小于 0.2V 或电池组表面温度稳定（45min 内温 差≤2°C），电池应不起火、不爆炸。

*环境适应性：*

\1. 高温烘烤：将单体电池放入高温防爆箱中，以（5±2°C）/min 升温速率升温至 130℃，在 该温度下保温 10min。

\2. 高温储存：将单体电池或电池组放置在 75±2°C 的烘箱中搁置 48h，电池应，应不泄漏、不 泄气、不破裂、不起火、不爆炸。

\3. 低气压：（UL 标准）。

●锂电池使用安全保护

w 电池过充功能：P+与 P-之间加上充电器，对电池充电，电池电压充到过充检

测电压（4.3±0.04V）时，保护电路动作，切断充电通路，实现过充保护

w 电池过放保护功能：在 P+与 P-之间接上负载让电池放电，当电池电压下降到 过放电压（2.5±0.1）时，保护电路动作，关断放电通路，实现过放保护

w 短路保护功能：当 P+与 P-短路时，保护电路会在 5-50uS 内迅速动作，切断 通路，实现短路保护

w 过流保护功能：当 V-端电压达（0.15±0.02V）时，保护电路会在 5-26ms 内

迅速动作，切断通路，实现过流保护）