鋰離子電池分為液態(tài)鋰離子電池(Liquified Lithium-Ion Battery，簡稱為LIB)和聚合物鋰離子電池(Polymer Lithium-Ion Battery，簡稱為PLB)。

鋰離子電池(Li--ion)

可充電鋰離子電池是手機(jī)、筆記本電腦等現(xiàn)代數(shù)碼產(chǎn)品中應(yīng)用最廣泛的電池，但它較為“嬌氣”，在使用中不可過充、過放(會損壞電池或使之報(bào)廢)。因此，在電池上有保護(hù)元器件或保護(hù)電路以防止昂貴的電池?fù)p壞。鋰離子電池充電要求很高，要保證終止電壓精度在±1%之內(nèi)，各大半導(dǎo)體器件廠已開發(fā)出多種鋰離子電池充電的IC，以保證安全、可靠、快速地充電。

手機(jī)基本上都是使用鋰離子電池。正確地使用鋰離子電池對延長電池壽命是十分重要的。它根據(jù)不同的電子產(chǎn)品的要求可以做成扁平長方形、圓柱形、長方形及扣式，并且有由幾個電池串聯(lián)并聯(lián)在一起組成的電池組。鋰離子電池的額定電壓，因?yàn)椴牧系淖兓?，一般?.7V，磷酸鐵鋰（以下稱磷鐵）正極的則為3.2V。充滿電時的終止充電電壓一般是4.2V，磷鐵3.65V。鋰離子電池的終止放電電壓為2.75V～3.0V(電池廠給出工作電壓范圍或給出終止放電電壓，各參數(shù)略有不同，一般為3.0V，磷鐵為2.5V)。低于2.5V（磷鐵2.0V）繼續(xù)放電稱為過放，過放對電池會有損害。

鈷酸鋰類型材料為正極的鋰離子電池不適合用作大電流放電，過大電流放電時會降低放電時間(內(nèi)部會產(chǎn)生較高的溫度而損耗能量)，并可能發(fā)生危險；但磷酸鐵鋰正極材料鋰電池，可以以20C甚至更大（C是電池的容量，如C=800mAh，1C充電率即充電電流為800mA）的大電流進(jìn)行充放電，特別適合電動車使用。因此電池生產(chǎn)工廠給出最大放電電流，在使用中應(yīng)小于最大放電電流。鋰離子電池對溫度有一定要求，工廠給出了充電溫度范圍、放電溫度范圍及保存溫度范圍，過壓充電會造成鋰離子電池永久性損壞。鋰離子電池充電電流應(yīng)根據(jù)電池生產(chǎn)廠的建議，并要求有限流電路以免發(fā)生過流(過熱)。一般常用的充電倍率為0.25C～1C。在大電流充電時往往要檢測電池溫度，以防止過熱損壞電池或產(chǎn)生爆炸。

鋰離子電池充電分為兩個階段：先恒流充電，到接近終止電壓時改為恒壓充電。例一種800mAh容量的電池，其終止充電電壓為4.2V。電池以800mA(充電率為1C)恒流充電，開始時電池電壓以較大的斜率升壓，當(dāng)電池電壓接近4.2V時，改成4.2V恒壓充電，電流漸降，電壓變化不大，到充電電流降為1/10-50C(各廠設(shè)定值不一，不影響使用)時，認(rèn)為接近充滿，可以終止充電(有的充電器到1/10C后啟動定時器，過一定時間后結(jié)束充電)。

工作效率

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鋰離子電池能量密度大，平均輸出電壓高。自放電小，好的電池，每月在2%以下（可恢復(fù)）。沒有記憶效應(yīng)。工作溫度范圍寬為-20℃～60℃。循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電、充電效率高達(dá)100%，而且輸出功率大。使用壽命長。不含有毒有害物質(zhì)，被稱為綠色電池。

工作原理

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作用機(jī)理

鋰離子電池以碳素材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌（習(xí)慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負(fù)極用插入或脫插表示）。在充放電過程中，鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅電池”。

當(dāng)對電池進(jìn)行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達(dá)到負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當(dāng)對電池進(jìn)行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。

 

離子電池原理圖

一般鋰電池充電電流設(shè)定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，同時電池發(fā)熱也越大。而且，過大的電流充電，容量不夠滿，因?yàn)殡姵貎?nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)需要時間。就跟倒啤酒一樣，倒太快的話會產(chǎn)生泡沫，反而不滿。

使用（放電）注意事項(xiàng)

對電池來說，正常使用就是放電的過程。鋰電池放電需要注意幾點(diǎn)：

第一，放電電流不能過大，過大的電流導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)熱，有可能會造成永久性的損害。在手機(jī)上，這個倒是沒有問題的，可以不考慮。

從下圖可以看出，電池放電電流越大，放電容量越小，電壓下降更快。

 

第二，絕對不能過放電！鋰電池內(nèi)部存儲電能是靠電化學(xué)一種可逆的化學(xué)變化實(shí)現(xiàn)的，過度的放電會導(dǎo)致這種化學(xué)變化有不可逆的反應(yīng)發(fā)生，因此鋰電池最怕過放電，一旦放電電壓低于2.7V，將可能導(dǎo)致電池報(bào)廢。好在手機(jī)電池內(nèi)部都已經(jīng)裝了保護(hù)電路，電壓還沒低到損壞電池的程度，保護(hù)電路就會起作用，停止放電。

化學(xué)解析

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概述

和所有化學(xué)電池一樣，鋰離子電池也由三個部分組成：正極、負(fù)極和電解質(zhì)。電極材料都是鋰離子可以嵌入(插入)/脫嵌(脫插)的。

正極

正極材料：如上文所述，可選的正極材料很多，主流產(chǎn)品多采用鋰鐵磷酸鹽。不同的正極材料對照：

正極材料

平均輸出電壓

能量密度

LiCoO2

3.7 V

140 mAh/g

Li2MnO3

3.7 V

100 mAh/g

LiFePO4

3.2 V

130 mAh/g

Li2FePO?F

3.6 V

115 mAh/g

正極反應(yīng)：放電時鋰離子嵌入，充電時鋰離子脫嵌。充電時：LiFePO4→ Li1-xFePO4 + xLi ++ xe- 放電時：Li1-xFePO4+ xLi ++ xe- →LiFePO4

負(fù)極

負(fù)極材料：多采用石墨。新的研究發(fā)現(xiàn)鈦酸鹽可能是更好的材料。 負(fù)極反應(yīng)：充電時鋰離子脫插，放電時鋰離子插入。放電時：xLi + xe + 6C →LixC6 充電時：LixC6 → xLi + xe + 6C

大體分為以下幾種：

第一種是碳負(fù)極材料：實(shí)際用于鋰離子電池的負(fù)極材料基本上都是碳素材料，如人工石墨、天然石墨、中間相碳微球、石油焦、碳纖維、熱解樹脂碳等。

第二種是錫基負(fù)極材料：錫基負(fù)極材料可分為錫的氧化物和錫基復(fù)合氧化物兩種。氧化物是指各種價態(tài)金屬錫的氧化物。沒有商業(yè)化產(chǎn)品。

第三種是含鋰過渡金屬氮化物負(fù)極材料，沒有商業(yè)化產(chǎn)品。

第四種是合金類負(fù)極材料：包括錫基合金、硅基合金、鍺基合金、鋁基合金、銻基合金、鎂基合金和其它合金 ，沒有商業(yè)化產(chǎn)品。

第五種是納米級負(fù)極材料：納米碳管、納米合金材料。

第六種納米材料是納米氧化物材料：根據(jù)2009年鋰電池新能源行業(yè)的市場發(fā)展最新動向，諸多公司已經(jīng)開始使用納米氧化鈦和納米氧化硅添加在以前傳統(tǒng)的石墨，錫氧化物，納米碳管里面，極大地提高鋰電池的充放電量和充放電次數(shù)。

電解質(zhì)溶液

溶質(zhì)：常采用鋰鹽，如高氯酸鋰(LiClO4)、六氟磷酸鋰(LiPF6)、四氟硼酸鋰(LiBF4)。溶劑：由于電池的工作電壓遠(yuǎn)高于水的分解電壓，因此鋰離子電池常采用有機(jī)溶劑，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有機(jī)溶劑常常在充電時破壞石墨的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其剝脫，并在其表面形成固體電解質(zhì)膜(solid electrolyte interphase，SEI)導(dǎo)致電極鈍化。有機(jī)溶劑還帶來易燃、易爆等安全性問題。

導(dǎo)電涂層

電池涂碳鋁箔(導(dǎo)電涂層）

涂碳鋁箔在鋰離子電池應(yīng)用中的優(yōu)勢

1、抑制電池極化，減少熱效應(yīng)，提高倍率性能；

2、降低電池內(nèi)阻，并明顯降低了循環(huán)過程的動態(tài)內(nèi)阻增幅；

3、提高一致性，增加電池的循環(huán)壽命；

4、提高活性物質(zhì)與集流體的粘附力，降低極片制造成本；

5、保護(hù)集流體不被電解液腐蝕；

6、改善磷酸鐵鋰、鈦酸鋰材料的加工性能。

導(dǎo)電涂層

利用功能涂層對電池導(dǎo)電基材進(jìn)行表面處理是一項(xiàng)突破性的技術(shù)創(chuàng)新，覆碳鋁箔/銅箔就是將分散好的納米導(dǎo)電石墨和碳包覆粒，均勻、細(xì)膩地涂覆在鋁箔/銅箔上。它能提供極佳的靜態(tài)導(dǎo)電性能，收集活性物質(zhì)的微電流，從而可以大幅度降低正/負(fù)極材料和集流之間的接觸電阻，并能提高兩者之間的附著能力，可減少粘結(jié)劑的使用量，進(jìn)而使電池的整體性能產(chǎn)生顯著的提升。 涂層分水性（水劑體系）和油性（有機(jī)溶劑體系）兩種類型。

性能差異

涂碳鋁箔/銅箔的性能優(yōu)勢

1.顯著提高電池組使用一致性，大幅降低電池組成本。如：

明顯降低電芯動態(tài)內(nèi)阻增幅 ；

　　提高電池組的壓差一致性 ；

　　延長電池組壽命 ；

　　大幅降低電池組成本。

 

顯著提高電池組使用一致性

2.提高活性材料和集流體的粘接附著力，降低極片制造成本。如：

改善使用水性體系的正極材料和集電極的附著力；

　　改善納米級或亞微米級的正極材料和集電極的附著力；

　　改善鈦酸鋰或其他高容量負(fù)極材料和集電極的附著力；

　　提高極片制成合格率,降低極片制造成本。

 

提高活性材料和集流體的粘接附著力

涂碳鋁箔與光箔的電池極片粘附力測試圖

使用涂碳鋁箔后極片粘附力由原來10gf提高到60gf（用3M膠帶或百格刀法），粘附力顯著提高。

3.減小極化，提高倍率和克容量，提升電池性能。如：

部分降低活性材料中粘接劑的比例，提高克容量；

　　改善活性物質(zhì)和集流體之間的電接觸；

　　減少極化，提高功率性能。

 

減小極化，提高倍率和克容量

不同鋁箔的電池倍率性能圖

其中C-AL為涂碳鋁箔，E-AL為蝕刻鋁箔，U-AL為光鋁箔

4.保護(hù)集流體，延長電池使用壽命。如：

防止集流極腐蝕、氧化；

　　提高集流極表面張力，增強(qiáng)集流極的易涂覆性能；

 

　　可替代成本較高的蝕刻箔或用更薄的箔材替代原有的標(biāo)準(zhǔn)箔材。

不同鋁箔的電池循環(huán)曲線圖（200周）

其中（1）為光鋁箔，（2）為蝕刻鋁箔，（3）為涂碳鋁箔

制作工藝

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鋰電池的正極材料有鈷酸鋰LiCoO2 、三元材料Ni+Mn+Co、錳酸鋰LiMn2O4加導(dǎo)電劑和粘合劑，涂在鋁箔上形成正極，負(fù)極是層狀石墨加導(dǎo)電劑及粘合劑涂在銅箔基帶上，比較先進(jìn)的負(fù)極層狀石墨顆粒已采用納米碳。

1、制漿：用專門的溶劑和粘結(jié)劑分別與粉末狀的正負(fù)極活性物質(zhì)混合，經(jīng)攪拌均勻后，制成漿狀的正負(fù)極物質(zhì)。

2、涂膜：通過自動涂布機(jī)將正負(fù)極漿料分別均勻地涂覆在金屬箔表面，經(jīng)自動烘干后自動剪切制成正負(fù)極極片。

3、裝配：按正極片—隔膜—負(fù)極片—隔膜自上而下的順序經(jīng)卷繞注入電解液、封口、正負(fù)極耳焊接等工藝過程，即完成電池的裝配過程，制成成品電池。

4、化成：將成品電池放置測試柜進(jìn)行充放電測試，篩選出合格的成品電池，待出廠 [3] 。

使用維護(hù)

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注意事項(xiàng)

避免在嚴(yán)酷條件下使用，如：高溫、高濕度、夏日陽光下長時間暴曬等，避免將電池投入火中。

拆電池時，應(yīng)確保用電器具處于電源關(guān)閉狀態(tài)；使用溫度應(yīng)保持在－20~50℃之間。

避免將電池長時間“存放”在停止使用的用電器具中。