第1章 鋰電池概述

1.1 鋰電池的背景與意義

自20世紀(jì)60年代之后，工業(yè)發(fā)展迅速，它一方面促進(jìn)了人類進(jìn)步，另一方面也使人類面臨著環(huán)境污染和能源危機等問題。在各個領(lǐng)域中，石油的大量消耗給地球帶來了非常嚴(yán)重的空氣污染，還帶來了能源危機，并引發(fā)了一系列的經(jīng)濟(jì)、政治問題。資源的危機會影響到科技的迅速發(fā)展，甚至給人類生存帶來嚴(yán)重影響?？諝馕廴疽l(fā)的各種惡劣天氣，使我國的各個城市都受到了嚴(yán)重的影響，特別是對植物和人類都有非常大的影響，導(dǎo)致全球溫度升高和冰川融化等。因此，資源的匱乏和環(huán)境的污染逐漸得到世界的重視。在這種環(huán)境下，新能源技術(shù)在各個國家的關(guān)注和大力支持下得到持續(xù)發(fā)展，我國已將資源和環(huán)境問題提升到了國家戰(zhàn)略的高度。

鋰電池作為當(dāng)今世界不可或缺的能源，具有重量輕和攜帶方便等突出優(yōu)點，被應(yīng)用到社會的各個領(lǐng)域，如汽車、手機、計算機等。因此，人們需要更加重視鋰電池的消耗和污染問題。以現(xiàn)在的科技條件來看，鋰電池的應(yīng)用技術(shù)還不夠成熟，依然存在著很多需要解決的問題，如手機爆炸、移動電池爆炸、電池著火等安全問題。因此，鋰電池的應(yīng)用和維護(hù)技術(shù)成為研究熱點，進(jìn)而對鋰電池的可靠性、安全性和使用壽命的改善，也成了鋰電池的重大課題。

在鋰電池的工作過程中，人們可以通過電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）來檢測電池的使用狀態(tài)是否良好，以及鋰電池的重要參數(shù)是否正常，如果鋰電池在工作過程中發(fā)生了某種不正常的現(xiàn)象，電池管理系統(tǒng)可以進(jìn)行報警，還可以及時地切掉電源，避免造成二次事故。它可以使得電池在使用的過程中更加安全可靠，并且可以延長電池的使用壽命。近幾年來，BMS的技術(shù)已經(jīng)被國內(nèi)外高校、科研機構(gòu)和公司當(dāng)作一個重要的發(fā)展方向和研究對象。

對電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）的預(yù)測一直都是電池管理系統(tǒng)的一個非常重要的工作。電池SOC也叫剩余容量，代表電池使用一段時間或長期擱置不用后，剩余可放電容量與其完全充電狀態(tài)的容量的比值。電池的荷電狀態(tài)可以反映出電池的續(xù)航能力或電池的剩余使用時間。在現(xiàn)今社會中，幾乎所有可以循環(huán)使用的設(shè)備都需要進(jìn)行維護(hù)，電池也不例外，電池的維護(hù)技術(shù)會影響到電池在被使用時的性能，進(jìn)而影響到用戶在使用過程中的體驗。電池在工作過程中，電池管理系統(tǒng)會反映電池的狀態(tài)，而電池的荷電狀態(tài)就是重要的數(shù)據(jù)之一。電池的狀態(tài)預(yù)測是一個很有意義的技術(shù)，但是要對鋰電池進(jìn)行有效等效建模和SOC準(zhǔn)確估計又是一個難題，因為用設(shè)備直接測量去得到電池的SOC是不可能的。SOC是一個動態(tài)參數(shù)，要想預(yù)測電池的SOC，就需要去測量電池的電壓、電流、溫度和內(nèi)阻等參數(shù)，通過關(guān)系式去估計電池的SOC。而SOC的值并不能進(jìn)行很準(zhǔn)確的預(yù)測，因為在這個過程中會受到很多干擾，例如電池電壓等因素，這也就大大增加了SOC估計的難度。所以盡可能準(zhǔn)確地估計電池的SOC值是非常有必要的。

準(zhǔn)確地進(jìn)行鋰電池SOC估計，對其發(fā)展具有重大的理論價值和現(xiàn)實意義。首先，可以使鋰電池在使用時更加安全，其次可以提高電池的性能。科學(xué)地使用電池會增加使用時長。如果能夠準(zhǔn)確地估計電池的SOC，電池管理系統(tǒng)就能夠檢測并顯示電池的使用狀態(tài)，通過數(shù)據(jù)指導(dǎo)人們對電池進(jìn)行維護(hù)，這樣不僅大大降低了維護(hù)費用和時間，而且能讓電池在被使用的過程中保持高性能，提高用戶的使用體驗并且延長電池的使用壽命。

在各類動力電池中，鋰電池因其相對于其他電池有著很多突出的優(yōu)點而被人們廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，并且逐漸被越來越多的人研究。先進(jìn)的技術(shù)是人們研究鋰電池的前提，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步也使人們在鋰電池的研究方面發(fā)展迅速，取得了很好的成績。隨著對鋰電池的研究越來越深，鋰電池的各種特性逐漸被人們了解。鋰電池具有電壓高、重量輕和能量密度高等特性，還可以快速充電，在現(xiàn)代社會中的發(fā)展相當(dāng)快，已經(jīng)被應(yīng)用于社會的方方面面。在鋰電池使用的最早期，它可以使植入人體的起搏器中長時間運作而不用重新充電。隨著數(shù)碼產(chǎn)品的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，鋰電池也被應(yīng)用于各種數(shù)碼產(chǎn)品中。鋰電池還應(yīng)用于各種儲電系統(tǒng)。如今世界各國都積極地投入鋰電池的研發(fā)當(dāng)中，而美國作為發(fā)達(dá)國家中的超級大國，更是對這方面給予了相當(dāng)大的科技支持和經(jīng)費投入。不僅如此，美國政府還頒發(fā)了一系列的鼓勵政策以及保護(hù)措施，推動了鋰電池研究的飛速發(fā)展。

在鋰電池的研究方面，日本的索尼（SONY）公司是相對于其他國家和地區(qū)而言對鋰電池研究和開發(fā)較早的公司。資源危機是無法忽視的巨大危機，因此日本格外重視新能源的發(fā)展。作為最先研究電動汽車的國家，日本的電動汽車一直處于領(lǐng)先水平。在2010年，日本政府決定加大對電動汽車研究的投入，直接組織相關(guān)專業(yè)成員實施國家的專項計劃，研究開發(fā)先進(jìn)的鋰電池技術(shù)，并且把鋰電池技術(shù)應(yīng)用于新一代的電動汽車中。就目前而言，日本生產(chǎn)的鋰電池已經(jīng)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。

我國對鋰電池的研究和生產(chǎn)隨著社會發(fā)展也迅速增長，而且我國是目前最大的鋰電池生產(chǎn)制造地。我國對鋰電池的研究和制造還處于增長當(dāng)中，在全球鋰電池排行中，所占地位依舊在持續(xù)擴(kuò)大。在這個力呼環(huán)保的世界，新能源問題和環(huán)境保護(hù)問題是研究的重要課題，而鋰電池在使用當(dāng)中是比較環(huán)保的，因此鋰電池已經(jīng)逐漸取代了對環(huán)境污染影響比較大的電池，成為社會發(fā)展中不可缺少的儲能元件。電池行業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃中已經(jīng)明確指出，在未來會增加鋰電池的使用，在推廣方面也會加大力度，在應(yīng)用的領(lǐng)域方面也會更加全面，增加市場占有率?，F(xiàn)階段，生產(chǎn)鋰電池的生產(chǎn)商也逐漸增多，如萬向集團(tuán)和中航鋰電等，都為鋰電池的研究和生產(chǎn)提供了廣闊的平臺和空間。