锂离子电池概述
1.介绍
锂离子电池作为最新一代的“21世纪绿二次电池”，与常用的铅酸蓄电池，镉镍电池，氢镍电池等二次电池相比，具有开路电压高，能量密度大，使用寿命长，无记忆效应，无污染及自放电小等优点。自1990年诞生以来，短短几年内就获得了迅猛的发展，全球锂离子电池销售总额已超过了镉镍电池、氢镍电池的总和。目前，锂离子电池已广泛应用于移动电话，笔记本电脑，摄相机，家用电器等。
1980年，M. Armand等人首先提出用嵌锂化合物来代替二次锂电池中的金属锂负极，并提出“摇椅式电池”（rocking chair battery）的概念。嵌锂化合物代替二次锂电池中的金属锂负极，电池的安全性大为改善，并且具有良好的循环寿命，同时电池的充放电效率也得到提高。1990年日本Sony公司研制出以石油焦为负极、LiCoO2为正极的锂离子二次电池。
锂电池分为液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLB)2类。其中，液态锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正、负极的二次电池。电池正极采用锂化合物LiCoO2或 LiMn2O4，负极采用锂-碳层间化合物。
锂电池是迄今所有商业化使用的二次化学电源中性能最为优秀的电池，相比与其它电池，锂电池具有很多优点。
(1)比能量高，无论是体积比能量，还是重量比能量，锂电池均比铅酸蓄电池高出三倍以上。由此决定了锂电池体积更小、重量更轻，其市场消费感觉很好。
(2) 循环寿命长，锂电池用于电动助力车的循环寿命一般在800次以上，采用磷酸铁锂正极材料的锂电池可以达到2000次左右，超出铅酸蓄电池1.5倍至5倍以上。这大大降低了锂电池的使用成本，提高了消费者的使用便利程度。
(3) 具有较宽的充电功率范围，这是锂电池具有的独特优势。在需要时，可以使充电时间控制在20～60min，充电效率达到85%以上。在进一步技术创新的基础上，这一特性得到更好的发挥，可以具有很好的商业价值。
(4) 倍率放电性能好，锂电池的倍率放电可以达到10倍率以上，特殊制作可以达到30倍率。这一特性非常有利于电动助力车的智能控制骑行技术的发展。只是目前对这一特性尚未有很好的开发与利用。
2.锂电池工作原理
以LiCoO2/C电池为例：
在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极 → 负极 → 正极的运动状态，实现锂离子的转移。
3.锂电池的结构及材料
锂离子电池由正负电极、电解质、聚合物隔离膜及保护电路芯片组成。
3.1 正极材料
电池的发展史，正是一部材料科技的进步史。工艺的改进使电池量变，新材料的发明促使电池质变。可以预见的是，采用含有锂元素的导体材料（离子化合物、聚合物）作为电极材料是高能电池的最佳选择。
锂电池根据正极材料不同，可分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂三种。钴酸锂由于钴价高昂而被放弃；锰酸锂相较于磷酸铁锂，在安全性和使用寿命方面不高；在可预见的将来，磷酸铁锂将成为锂电池的主要正极材料。通用的Volt和比亚迪的F3DM都采用磷酸铁锂电池。随着锰酸锂和磷酸铁锂等极具发展前途的正极材料的技术进步，其在动力电池领域也开始了扩张的步伐。
3.2 负极材料
目前业界对负极材料的研究相对较少，其实负极与正极对锂离子电池具有同等的重要性。在正、负极材料的选择上，正极材料必须选择高电位的嵌锂化合物，负极材料必须选择低电位的嵌锂化合物。
目前，开发和使用的锂离子电池负极材料主要有石墨、软碳(soft Carbon)、硬碳(Hard Caobon)等. 在石墨中有天然石墨、人造石墨、石墨碳纤维。在软碳中常见的有石油焦、针状焦、碳纤维、中间相碳微球(Mesocarbon Microbends，缩写MCMB)等。硬碳是指高分子聚合物的热解碳。常见的有树脂碳、有机聚合物热解碳、碳黑等。
目前除石墨材料外，其他各类材料都还存在一些尚未解决的难题, 目前还不能应用于LIB的生产。例如无序炭尽管放电容量很大，但不可逆容量也很大，而且电位滞后现象严重，即Li +嵌入的电位接近0V而Li +脱出的电位接近1V，与无序炭类似。B-C-N系化合物和C Si-O系化合物的放电曲线为——“斜坡”，不象石墨材料那样在低电位处有一个电位平台。过渡金属氧化物用作LIB负极活性材料时的主要问题是不可逆容量大和充、放电电位平台高。锂—过渡
比亚迪 铁电池金属氮化物则由于其对空气湿度的敏感，因此实际应用仍受到限制。至于锂合金材料则因在合金化过程中体积膨胀率太大，致使电极材料在反复充、放电时粉化、导电网络中断，因此循环性能很差。对这些问题还有待进一步的研究，以求获得更新更好的负极材料。
3.3 电解液
电解液是锂电池四大关键材料之一，号称锂电池的“血液”，是锂电池获得高电压、高比能等优点的保证；作为锂离子电池必需的关键材料，锂离子电池电解液的发展取决于锂离子电池的发展。锂电池电解液是由六氟磷酸锂（LiFL 6）加上有机溶剂配成，六氟磷酸锂由五氯化磷和溶解在无水氟化氢中的氟化锂反应结晶而成。
3.4 隔离膜
隔离膜材料占锂离子电池成本的1/3左右。锂离子电池隔离膜一般采用聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)单层微孔膜,以及由PP和PE复合的多层微孔膜作为隔离膜,以聚丙烯为例,其原料成本约8千元/吨,而将其加工成隔膜后,其价值可达到300万元/吨,大幅升值几百倍。
3.5 电池保护IC
锂电池在使用过程中，过充电、过放电和过电流都会影响电池使用寿命和性能，严重者会导致锂电池燃烧、爆炸，现已出现手机锂电池爆炸致人伤亡的案例，经常出现IT和手机厂家召回锂电池产品的事件。所以每块锂电池都要安装一块安全保护板，由一块专用IC和若干个外部元件组成，通过保护环路有效监测并防止对电池产生损害，防止过充、过放和短路造成的燃烧、爆炸等危险。由于每个锂离子电池中都要安装一片电池保护IC，锂电池保护IC市场大得惊人，每年有几十亿美元的市场。
由于锂离子电池能量密度高，因此难以确保电池的安全性。在过度充电状态下，电池温度上升后能量将过剩，于是电解液分解而产生气体，因内压上升而产生自燃或破裂的危险；反之，在过度放电状态下，电解液因分解导致电池特性及耐久性劣化，因而降低可充电次数。锂离子电池保护电路包括过度充电保护、过电流／短路保护和过放电保护，要求过充电保护高精密度、保护IC功耗低、高耐压以及零伏可充电等特性。
4．锂电池的市场前景
自从商业化以来，锂离子电池不断攻城略地，已在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍应用。锂电池电解液目前主要用于手机、数码相机、手提电脑等电子产品以及
矿灯，约占锂离子全部使用量的90%；已经独霸手机和手提电脑等高端市场，成为各类电子产品的主力电源。电子产品、矿灯等用锂电池的需求将保持每年10%的稳定增长。
目前开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用。如果今后数年全球油价依旧徘徊在高位状态，2010 年美国市场出售的轿车中5%-6%将会是混合动力汽车。有更大胆的预测则是2015 年整个汽车市场的80%市场份额将会被混合动力汽车所占据。除了节能省油，环境效益是混合动力汽车带来的另一大优势。混合动力汽车在刹车、加速、减速时，可以节省大量燃油，并同时减少城市废气排放。
发展电动汽车，需要高可靠性和低成本的电池，以前的一个怪圈是，动力电池生产没形成规模，成本高，可靠性差，电动车厂家不愿意用，电池厂家的产品卖不出去，就不可能扩大生产规模和通过大量生产提升产品的稳定性和可靠性，电池价格就会居高不下，也谈不上产品的可靠性和稳定性。与日本有了成熟的电动汽车市场相比，前些年中国的动力电池产业发展面临一个很大的困难。但中国的巨大的电动自行车市场给锂离子动力电池产业的发展带来了天赐良机。每年两千多万辆电动自行车的销售量，对整个电动车行业是一个巨大的推动。更多的老百姓骑电动自行车，就支持了动力电池这一行业，增加了产品的需求，生产和技术水
平越来越高，产业规模越来越大，产品的稳定性和可靠性就会大幅度提高，成本也会很快地降下来。
中国四个轱辘的电动汽车是靠两个轱辘的电动自行车扛起来的。日本电动汽车的发展道路有雄厚的技术基础和市场支撑，而我们可以依靠两个轱辘的市场来提升给四个轱辘用的电池的水平。
车用动力锂离子电池的产业化是一个漫长的过程，经过11 年的发展，我国已成为仅次于日本的小型锂离子电池生产大国，在未来几年，日本的小型电池产业会更多地向我国转移，车用锂离子动力电池等高端产品技术的开发，不仅仅是我国电动汽车产业发展的需要，也必将带来我国锂离子电池产业的全面技术升级。
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