第1章 鋰離子電池與管理系統(tǒng)概述

1.1 鋰離子電池簡介

1.1.1 特點與優(yōu)勢

鋰離子電池是一種將電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化并且可重復(fù)使用的電池，它不像鎳鎘電池那樣對環(huán)境有嚴重污染，也不像鉛酸電池那樣低的比容量，更不像燃料電池那樣需要配備輔助電池系統(tǒng)，循環(huán)壽命遠遠高于其他類型電池，并且無記憶效應(yīng)，因此使用范圍相當(dāng)廣泛。同時，由于具有高能量密度、低自放電率、壽命長、性價比高、可快速充電及綠色環(huán)保等特點，鋰離子電池逐漸成為新能源汽車的主要動力源。

鋰離子電池組采用化學(xué)反應(yīng)來實現(xiàn)能量的儲存與釋放，在充放電過程中，內(nèi)部相互連接的各電池單體正負極發(fā)生氧化還原反應(yīng)。相對于其他類型電池，鋰離子電池具有以下顯著的優(yōu)點。

（1）工作電壓高 鈷酸鋰類型鋰離子電池的工作電壓為3.6V，錳酸鋰類型鋰離子電池的工作電壓為3.7V，磷酸鐵鋰類型鋰離子電池的工作電壓為3.2V，而鎳氫、鎳鎘電池的工作電壓僅為1.2V。

（2）比能量高 重量比能量，簡稱比能量，是電池的重要參數(shù)之一。鋰離子電池正極材料的理論比能量可達200W·h/kg以上，實際應(yīng)用中由于不可逆容量損失，比能量通常低于這個數(shù)值，但也可達140W·h/kg，該數(shù)值仍為鎳鎘電池的3倍，鎳氫電池的1.5倍。

（3）循環(huán)壽命長 鋰離子電池在深度放電情況下，循環(huán)次數(shù)可達1000次以上；在低放電深度條件下，循環(huán)次數(shù)可達上萬次，其性能遠遠優(yōu)于其他類型電池。

（4）自放電小 鋰離子電池的月自放電率僅為總電容量的5%～9%，大大緩解了傳統(tǒng)電池放置時由自放電所引起的電能損失問題。

（5）環(huán)保性高 相對于傳統(tǒng)的鉛酸電池、鎳鎘電池，甚至鎳氫電池廢棄可能造成的環(huán)境污染問題，鋰離子電池中不包含汞、鉛、鎘等有害元素，是真正意義上的綠色電池。

近年來，鋰離子電池的工作性能得到不斷提高，這主要是因為其內(nèi)部正極、隔膜、負極和電解液材料的不斷改進。同時，生產(chǎn)工藝和其他因素的改良也同樣起到了非常重要的作用。其工作性能的不斷提高，使得鋰離子電池成為主要的可充電動力電池。

1.1.2 基本類型

鋰離子電池主要用在新能源汽車、無人機等動力應(yīng)用場景中，內(nèi)阻小，充放電速度快，一般能達到3～5C（電流倍率）。同時，也可用于不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）等儲能應(yīng)用場景中，內(nèi)阻比較大，充放電速度較慢，一般為0.5～1C。根據(jù)所用電解質(zhì)材料不同，鋰離子電池可以分為液態(tài)鋰離子電池（Lithium-ion Battery，LIB）和聚合物鋰離子電池（Polymer Lithium-ion Battery，LIP）兩大類。電池結(jié)構(gòu)通常包括電池正極、負極、電解溶液、隔膜以及外包裝等。鋰離子電池因生產(chǎn)材料的差異導(dǎo)致在性能上存在一些差別，幾種鋰離子電池的性能比較見表1-1。

聚合物鋰離子電池所用的正負極材料與液態(tài)鋰離子電池是相同的，電池的工作原理也基本一致。它們的主要區(qū)別在于電解質(zhì)的不同，液態(tài)鋰離子電池使用的是液體電解質(zhì)，而聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質(zhì)來代替，這種聚合物可以是“干態(tài)”的，也可以是“膠態(tài)”的，目前大部分采用聚合物膠態(tài)電解質(zhì)。聚合物鋰離子電池可分為三類：

（1）固體聚合物電解質(zhì)鋰離子電池 電解質(zhì)為聚合物與鹽的混合物，這種電池在常溫下的離子電導(dǎo)率低，適于高溫使用。

（2）凝膠聚合物電解質(zhì)鋰離子電池 即在固體聚合物電解質(zhì)中加入增塑劑等添加劑，從而提高離子電導(dǎo)率，使電池可在常溫下使用。

（3）聚合物正極材料鋰離子電池 采用導(dǎo)電聚合物作為正極材料，其比能量是現(xiàn)有鋰離子電池的3倍，是最新一代的鋰離子電池。

由于用固體電解質(zhì)代替了液體電解質(zhì)，與液態(tài)鋰離子電池相比，聚合物鋰離子電池具有可薄形化、任意面積化與任意形狀化等優(yōu)點，也不存在漏液與燃燒爆炸等安全隱患，因此可以用鋁塑復(fù)合薄膜制造電池外殼，從而提高整個電池的比容量；聚合物鋰離子電池還可以采用高分子作為正極材料，其比能量將會比目前的液態(tài)鋰離子電池提高50%以上。此外，聚合物鋰離子電池在工作電壓、充放電循環(huán)壽命等方面都比普通鋰離子電池有所提高。基于以上優(yōu)點，聚合物鋰離子電池被譽為下一代鋰離子電池。

鋰離子電池正極材料體系主要有鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳酸鋰和錳酸鋰等，其中，工程應(yīng)用范圍最廣、應(yīng)用技術(shù)最成熟的正極材料是鈷酸鋰材料。目前國外在動力航天領(lǐng)域應(yīng)用的是鎳酸鋰材料和鈷酸鋰材料兩種體系，其中法國SAFT公司使用的是鎳酸鋰材料，日本使用的是鈷酸鋰材料。鎳酸鋰材料具有比能量高、儲存性能優(yōu)異等特點，但其安全性是幾種材料中最差的；磷酸鐵鋰的比能量低、低溫性能差；錳酸鋰材料在高溫使用時壽命較短。

1.1.3 工作原理

鋰離子電池是指分別用兩個能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負極構(gòu)成的電池，是一種充電電池，它主要依靠鋰離子（Li⁺）在正極和負極之間的移動來工作。在充放電過程中，Li⁺在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li⁺從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極中鋰原子電離成Li⁺和電子，并且Li⁺向正極運動與電子合成鋰原子，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反，鋰原子從石墨晶體內(nèi)的正極表面電離成Li⁺和電子，并在負極處合成鋰原子。在該電池中的鋰永遠以Li⁺的形態(tài)出現(xiàn)，不會以金屬鋰的形態(tài)出現(xiàn)，所以這種電池叫作鋰離子電池。

鋰離子電池的工作原理即為其充放電原理。當(dāng)對電池進行充電時，電池的正極上有Li⁺生成，生成的Li⁺經(jīng)過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，到達負極的Li⁺就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的Li⁺越多，充電容量越高。同樣道理，當(dāng)對電池進行放電時，嵌在負極碳層中的Li⁺脫嵌，又運動回到正極，回到正極的Li⁺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。在鋰離子電池的工作過程中，Li⁺在正負極之間反復(fù)進行脫嵌和嵌入。當(dāng)鋰離子電池用于動力供應(yīng)過程時，兩個電極連接到負載用電設(shè)備，進而通過這些負載設(shè)備形成回路。在鋰離子電池的充電過程中，Li⁺從正極向負極移動，鋰離子電池負極逐漸趨于富鋰態(tài)，而其正極逐漸趨于貧鋰態(tài)。當(dāng)鋰離子電池處于動力供應(yīng)狀態(tài)時，兩個電極通過外部設(shè)備連接并提供電能，實現(xiàn)了能量的可逆儲存和釋放。在充放電過程中，鈷酸鋰電池的正極、負極和總反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)方程式為

磷酸鐵鋰離子電池的正極材料主要為LiFePO₄，提供Li⁺作為能量的傳輸介質(zhì)，通過耳鋁箔與電池正極相連；電池負極通過耳銅箔與碳相連，隔膜將電池正負極隔開，只允許Li⁺穿過，自由電子無法通過隔膜。電池充電狀態(tài)下，Li⁺從正極中脫嵌，LiFePO₄轉(zhuǎn)變?yōu)長i_（1-x）FePO₄、Li⁺和自由電子，Li⁺到達負極與碳結(jié)合，形成Li_xC₆。放電過程為其逆反應(yīng)，詳細化學(xué)反應(yīng)方程式為

由上述分析可知，在鋰離子電池內(nèi)部，存在Li⁺的嵌入和脫嵌、通過隔膜以及在電解液中移動等過程，由此而引入的內(nèi)阻、極化和老化等因素，會對荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）估算造成影響，需要在等效模型構(gòu)建和SOC估算過程中予以考慮。鋰離子電池可循環(huán)充放電的原理在于其正負兩極間Li⁺的不斷運動。當(dāng)鋰離子電池處于充電狀態(tài)時，電池正極的Li⁺從正極脫嵌向負極游走，以電解液為傳導(dǎo)介質(zhì)嵌入負極，此時電池負極Li⁺呈現(xiàn)富余狀態(tài)，而正極Li⁺呈現(xiàn)稀缺狀態(tài)；當(dāng)鋰離子電池處于放電狀態(tài)時，電池負極的Li⁺又從負極脫嵌向正極游走，經(jīng)過電解液嵌入電池正極，使電池正極Li⁺呈現(xiàn)富余狀態(tài)，而負極Li⁺呈現(xiàn)稀缺狀態(tài)。Li⁺游走的過程中伴隨著能量的轉(zhuǎn)化：電池在充電狀態(tài)下，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存在電池中；在放電狀態(tài)下，化學(xué)能又轉(zhuǎn)化為電能供用電設(shè)備使用。Li⁺循環(huán)往復(fù)的運動體現(xiàn)了電池的循環(huán)使用特性。其內(nèi)部反應(yīng)過程如圖1-1所示。

鋰離子電池是前幾年出現(xiàn)的金屬鋰電池的替代產(chǎn)品，電池的主要構(gòu)成為正負極、電解質(zhì)、隔膜以及外殼。

（1）正極 采用能吸藏Li⁺的碳極，放電時，鋰變成Li⁺，脫離電池正極，到達鋰離子電池負極。

（2）負極 材料選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰化合物，如各種碳材料（包括天然石墨、合成石墨、碳纖維、中間相小球碳素等）和金屬氧化物。

（3）電解質(zhì) 采用LiPF₆的乙烯碳酸脂、丙烯碳酸脂和低黏度二乙基碳酸脂等烷基碳酸脂搭配的混合溶劑體系。

（4）隔膜 采用聚烯微多孔膜如聚乙烯（Polyethylene，PE）、聚丙烯（Polypropylene，PP）或它們的復(fù)合膜，尤其是PP/PE/PP三層隔膜，不僅熔點較低，而且具有較高的抗穿刺強度，起到了熱保險作用。

（5）外殼 采用鋼或鋁材料，蓋體組件具有防爆斷電功能。

1.1.4 命名規(guī)則

根據(jù)IEC61960標(biāo)準(zhǔn)，鋰離子電池的命名由厚度、寬度、高度和材質(zhì)的標(biāo)識組成，通常用字母和阿拉伯?dāng)?shù)字表示。

（1）電池標(biāo)識組成

1）圓柱形鋰離子電池表示方法：3個字母+5個數(shù)字。

2）方形鋰離子電池表示方法：3個字母+6個數(shù)字。

（2）第一個字母表示電池負電極的材料

1）I表示鋰離子。

2）L表示鋰金屬電極或鋰合金電極。

（3）第二個字母表示電池正極的材料

1）C是基于鈷的電極。

2）N是基于鎳的電極。

3）M是基于錳的電極。

4）V是基于釩的電極。

（4）第三個字母表示電池的形狀

1）R表示圓柱形電池。

2）L表示方形電池。

（5）圓柱形電池五個數(shù)字分別表示電池的直徑和高度

1）字母后前兩個數(shù)字表示電池的直徑，單位為mm。

2）后兩個數(shù)字表示電池高度的十倍，單位為mm。

3）直徑或高度任意一尺寸大于或等于100mm時，兩個尺寸之間應(yīng)加一條斜線，同時該尺寸數(shù)字相應(yīng)增加。

（6）方形電池六個數(shù)字分別表示電池的厚度、寬度和高度

1）前兩個數(shù)字表示電池的厚度，單位為mm。

2）中間兩個數(shù)字表示電池的寬度，單位為mm。

3）后兩個數(shù)字表示電池的高度，單位為mm。

4）厚度、寬度和高度三個尺寸任意一個大于或等于100mm時，尺寸之間應(yīng)加斜線，同時該尺寸數(shù)字相應(yīng)增加。三個尺寸中若任意一尺寸小于1mm，則在此尺寸前加字母t，此尺寸單位為1/10mm。