離子電池分布在我們生活的每一個角落，其應(yīng)用領(lǐng)域包括手機、平板電腦、筆記本電腦、智能手表、移動電源（充電寶）、應(yīng)急電源、剃須刀、電動自行車、電動汽車、電動公交車、旅游觀光車、無人機，以及其他各類電動工具。作為電能的載體和眾多設(shè)備的動力來源，可以說，離開了鋰離子電池，當(dāng)今的物質(zhì)世界就玩不轉(zhuǎn)了（除非我們想倒退回幾十年前）。那么，鋰離子電池到底是什么鬼？

　　本文不科普電池的基本原理和發(fā)展歷史，有興趣的請百度查詢，這里頭有很多故事。物理學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論，被愛因斯坦之前的那一波人基本上搞得七七八八了，電池跟這兩個領(lǐng)域直接相關(guān)，與電池有關(guān)的理論，在二戰(zhàn)之前就已經(jīng)研究的差不多了，二戰(zhàn)以后并無大的創(chuàng)新。作為電池技術(shù)的一種，鋰離子電池的相關(guān)理論研究，近年來也沒有什么突破性進展，大多數(shù)研究都集中在材料、配方、工藝等方面，也就是如何提高產(chǎn)業(yè)化的程度，研究出性能更優(yōu)異的鋰離子電池（存儲能量更多，用的更久）。

　　很多人在使用鋰離子電池，很多人在研究鋰離子電池的產(chǎn)品應(yīng)用（如上面提到的產(chǎn)品），可是大多數(shù)人對鋰離子電池知之甚少，或者總是霧里看花，不得要領(lǐng)。寫本文的目的，不是為了給做鋰離子電池研發(fā)的人看的，而是給那些在產(chǎn)品里面用到鋰離子電池的工程技術(shù)人員或者鋰離子電池的使用者看的。所以本文力求通俗易懂，盡量不使用專業(yè)化的術(shù)語和公式，希望在輕松閱讀之余，能夠提升大家對鋰離子電池的認識，起到答疑解惑的作用。

　　作者本人不是鋰離子電池領(lǐng)域的專家，沒有從事過鋰離子電池單體的技術(shù)或產(chǎn)品研發(fā)，但曾長期從事鋰離子電池的應(yīng)用技術(shù)研究，因此希望站在“用戶”的角度，來闡述我對鋰離子電池的認識。普通用戶，通常把鋰離子電池直接叫作鋰電池，雖然兩者并不完全等同，但鋰離子電池確實是當(dāng)前鋰電池的絕對主體。

　　文中大部分的內(nèi)容，都不是本人的原創(chuàng)，而是已經(jīng)存在的知識，站在巨人的肩膀上，我們要做的僅僅是站直身體，抬起頭，世界就在我們眼前。
電池去除保護板就是電芯了。

　　保護板，顧名思義就是保護電芯用的，保護板的主要作用有：

　　1、過充保護：當(dāng)你充電時，電壓達到電池最高電壓（4.2V）時，保護板就會自動斷電關(guān)閉，不能在充電了。

　　2、過放保護：當(dāng)你的電池電快要用完時（手機是3.6V左右）保護板也會關(guān)閉，不能在放電了。你的儀器就會自動關(guān)機。

　　3、過電流保護：當(dāng)電池放電時（使用），保護板會有一個最大的限制電流（不同儀器要求不一樣），當(dāng)放電超過這個電流保護板也會自動關(guān)閉。

　　4、短路保護：當(dāng)你的電池不小心短路時，保護板會在幾毫秒內(nèi)自動關(guān)閉，不會在通電，這時就是正負極碰到一塊也沒事。
　　二、鋰離子電池的基本原理

　　1.如何選擇能量的載體

　　首先大家會問，為什么選擇鋰元素作為能量載體？

　　好吧，雖然我們不想去回顧化學(xué)的知識，可是這個問題必須得去元素周期表找答案，好在，大家總還記得元素周期表吧？！實在不記得，我們就花一分鐘來看看下面的表吧。

　　要想成為好的能量載體，就要以盡可能小的體積和重量，存儲和搬運更多的能量。因此，需要滿足下面幾個基本條件：

　　1）原子相對質(zhì)量要小

　　2）得失電子能力要強

　　3）電子轉(zhuǎn)移比例要高

　　基于這3項基本原則，元素周期表上面的元素比下面的元素要好，左邊的元素比右邊的元素要好。初步篩選，我們只能在元素周期表的第一周期和第二周期里面去找材料：氫、氦、鋰、鈹、硼、碳、氮、氧、氟、氖。排除惰性氣體和氧化劑，只剩下氫、鋰、鈹、硼、碳，這5個元素。

　　氫元素是自然界最好的能量載體，所以氫燃料電池的研究一直方興未艾，代表了電池領(lǐng)域一個非常有前途的方向。當(dāng)然，如果核裂變技術(shù)在未來幾十年能夠取得重大突破，可以做到小型化甚至微型化，那么便攜式的核燃料電池將會有廣闊的發(fā)展空間。

　　接下來就是鋰了，選擇鋰元素來做電池，是基于地球當(dāng)前的所有元素中，我們能夠找到的相對優(yōu)解（鈹?shù)膬α刻倭?，是稀有金屬中的稀有金屬）。氫燃料電池與鋰離子電池的技術(shù)路線之爭，在電動汽車領(lǐng)域打的如火如荼，大概就是因為這兩種元素，是我們目前能夠找到的比較好的能量載體。當(dāng)然，這里面還牽涉到很多的商業(yè)利益，甚至政治博弈，這些不是本文要討論的范疇。

　　順便說一下，自然界中已經(jīng)存在的，并為人類廣泛使用的能源，比如石油、天然氣、煤炭等，其主要成分也是碳、氫、氧等元素（在元素周期表的第一周期和第二周期）。所以不管是自然的選擇，還是人類的“設(shè)計”，最終都是殊途同歸的。

　　2.鋰離子電池的工作原理

　　下面講講鋰離子電池的工作機理。這里不闡述氧化還原反應(yīng)，化學(xué)基礎(chǔ)不好的，或者已經(jīng)把化學(xué)知識還給老師的人，看到這些專業(yè)的東西就會頭暈，所以我們還是搞點直白的描述。這里借用一張圖，這張圖比較容易讓人理解鋰離子電池的原理。

　　我們按照使用的習(xí)慣，根據(jù)充放電時的電壓差區(qū)分正極（+）和負極（-），這里不講陽極和陰極，費時費力。這張圖上，電池的正極材料是鈷酸鋰（LiCoO2），負極材料是石墨（C）。

　　充電的時候，在外加電場的影響下，正極材料LiCoO2分子里面的鋰元素脫離出來，變成帶正電荷的鋰離子（Li+），在電場力的作用下，從正極移動到負極，與負極的碳原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成LiC6，于是從正極跑出來的鋰離子就很“穩(wěn)定”的嵌入到負極的石墨層狀結(jié)構(gòu)當(dāng)中。從正極跑出來轉(zhuǎn)移到負極的鋰離子越多，這個電池可以存儲的能量就越多。

　　放電的時候剛好相反，內(nèi)部電場轉(zhuǎn)向，鋰離子（Li+）從負極脫離出來，順著電場的方向，又跑回到正極，重新變成鈷酸鋰分子（LiCoO2）。從負極跑出來轉(zhuǎn)移到正極的鋰離子越多，這個電池可以釋放的能量就越多。

　　在每一次充放電循環(huán)過程中，鋰離子（Li+）充當(dāng)了電能的搬運載體，周而復(fù)始的從正極→負極→正極來回的移動，與正、負極材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了電荷的轉(zhuǎn)移，這就是“鋰離子電池”的基本原理。由于電解質(zhì)、隔離膜等都是電子的絕緣體，所以這個循環(huán)過程中，并沒有電子在正負極之間的來回移動，它們只參與電極的化學(xué)反應(yīng)。

　　3.鋰離子電池的基本構(gòu)成

　　要實現(xiàn)上述的功能，鋰離子電池內(nèi)部需要包含幾種基本材料：正極活性物質(zhì)、負極活性物質(zhì)、隔離膜、電解質(zhì)。下面做簡單論述，這些材料都是干嘛的。

　　正負極不難理解，要實現(xiàn)電荷移動，就需要存在電位差的正負極材料，那么什么是活性物質(zhì)？我們知道，電池實際上是將電能和化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)能量的存儲和釋放。要實現(xiàn)這個過程，就需要正負極的材料很“容易”參與化學(xué)反應(yīng)，要活潑，要容易氧化和還原，從而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，所以我們需要“活性物質(zhì)”來做電池的正負極。

　　上面已經(jīng)提到，鋰元素是我們做電池的優(yōu)選材料，那么為什么不用金屬鋰來做電極的活性物質(zhì)呢？這樣不是可以達到最大的能量密度嗎？

　　我們再看上面這張圖，氧（O）、鈷（Co）、鋰（Li）三種元素構(gòu)成了非常穩(wěn)定的正極材料結(jié)構(gòu)（圖中的比例和排列僅作參考），負極石墨的碳原子排列也具有非常穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)。正負極材料不但要活潑，還要具有非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，才能實現(xiàn)有序的，可控的化學(xué)反應(yīng)。不穩(wěn)定的結(jié)果是什么？想想汽油燃燒和炸彈爆炸，能量劇烈釋放，這個化學(xué)反應(yīng)的過程實際上是無法人為去精確控制的，于是化學(xué)能變成了熱能，一次性把能量釋放完畢，而且不可逆。

　　金屬形態(tài)存在的鋰元素太“活潑”了，調(diào)皮的孩子多半都不聽話，喜歡搞破壞。早期針對鋰電池的研究，確實是集中以金屬鋰或其合金作為負極這個方向，但是因為安全問題突出，不得不尋找其他更好的路徑。近年來，隨著人們對能量密度的追求，這個研究方向又有“滿血復(fù)活”的趨勢，這個我們后面會講到。

　　為了實現(xiàn)能量存儲和釋放過程中的化學(xué)穩(wěn)定性，即電池充放電循環(huán)的安全性和長壽命，我們需要一種電極材料，在需要活潑的時候活潑，在需要穩(wěn)定的時候穩(wěn)定。經(jīng)過長期的研究和探索，人們找到了幾種鋰的金屬氧化物，如鈷酸鋰、鈦酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元等材料，作為電池正極或負極的活性物質(zhì)，解決了上述問題。如上圖所示，磷酸鐵鋰的橄欖石結(jié)構(gòu)也是一種非常穩(wěn)定的正極材料結(jié)構(gòu)，充放電過程中鋰離子的脫嵌，并不會造成晶格坍塌。題外話，鋰金屬電池確實是有的，但與鋰離子電池相比，幾乎可以忽略不計，技術(shù)的發(fā)展，最終還是要服務(wù)于市場。

　　當(dāng)然，在解決了穩(wěn)定性問題的同時，也帶來了嚴重的“副作用”，就是作為能量載體的鋰元素占比大大降低，能量密度降了不止一個數(shù)量級，有得必有失，自然之道啊。

　　負極通常選擇石墨或其他碳材料做活性物質(zhì)，也是遵循上述的原則，既要求是好的能量載體，又要相對穩(wěn)定，還要有相對豐富的儲量，便于大規(guī)模制造，找來找去，碳元素就是一個相對優(yōu)解。當(dāng)然，這并不是唯一解，針對負極材料的研究很廣泛，后面有論述。

　　電解質(zhì)是干嘛的？通俗的講，就是游泳池里面的“水”，讓鋰離子能夠自由的游來游去，所以呢，離子電導(dǎo)率要高（游泳的阻力?。娮与妼?dǎo)率要?。ń^緣），化學(xué)穩(wěn)定性要好（穩(wěn)定壓倒一切?。?，熱穩(wěn)定性要好（都是為了安全），電位窗口要寬。基于這些原則，經(jīng)過長期的工程探索，人們找到了由高純度的有機溶劑、電解質(zhì)鋰鹽、和必要的添加劑等原料，在一定條件下、按一定比例配制而成的電解質(zhì)。有機溶劑有PC（碳酸丙烯酯），EC（碳酸乙烯酯），DMC（碳酸二甲酯），DEC（碳酸二乙酯），EMC（碳酸甲乙酯）等材料。電解質(zhì)鋰鹽有LiPF6，LiBF4等材料。

　　隔離膜則是為了阻止正負極材料直接接觸而加進來的，我們希望把電池做的盡可能的小，存儲的能量盡可能的多，于是正負極之間的距離越來越小，短路成為一個巨大的風(fēng)險。為了防止正負極材料短路，造成能量的劇烈釋放，就需要用一種材料將正負極“隔離”開來，這就是隔離膜的由來。隔離膜需要具有良好的離子通過性，主要是給鋰離子開放通道，讓其可以自由通過，同時又是電子的絕緣體，以實現(xiàn)正負極之間的絕緣。目前市場上的隔膜主要有單層PP，單層PE，雙層PP/PE，三層PP/PE/PP復(fù)合膜等。

　　4.鋰離子電池的完整材料構(gòu)成

　　除了上面提到的4種主要材料之外，要想把鋰離子電池從實驗室的一個“實驗品”變成一個可以商業(yè)化應(yīng)用的產(chǎn)品，還需要其他一些不可或缺的材料。

　　我們先看電池的正極，除了活性物質(zhì)之外，還有導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，以及用作電流載體的基體和集流體（正極通常是鋁箔）。粘結(jié)劑要把作為活性物質(zhì)的鋰金屬氧化物均勻的“固定”在正極基帶上面，導(dǎo)電劑則要增強活性物質(zhì)與基體的電導(dǎo)率，以達到更大的充放電電流，集流體負責(zé)充當(dāng)電池內(nèi)外部的電荷轉(zhuǎn)移橋梁。

　　負極的構(gòu)造與正極基本相同，需要粘結(jié)劑來固定活性物質(zhì)石墨，需要銅箔作為基體和集流體來充當(dāng)電流的導(dǎo)體，但因為石墨本身良好的導(dǎo)電性，所以負極一般不添加導(dǎo)電劑材料。

　　除了以上材料外，一個完整的鋰離子電池還包括絕緣片、蓋板、泄壓閥、殼體（鋁，鋼，復(fù)合膜等），以及其他一些輔助材料。

　　5.鋰離子電池的制作工藝

　　鋰離子電池的制作工藝比較復(fù)雜，此處僅就部分關(guān)鍵工序做簡單描述。根據(jù)極片裝配方式的不同，通常有卷繞和疊片兩種工藝路線。
1.單體電池的工作電壓高達3.6v~3.8v遠高于鎳氫和鎳鎘電池的1.2V電壓。

　　2.容量密度大，其容量密度是鎳氫電池或鎳鎘電池的1.5~2.5倍，或者更高。

　　3.自放電小，在放置很長時間后其容量損失也很小。

　　4.壽命長，正常使用其循環(huán)壽命可達到500次以上。

　　5.沒有記憶效應(yīng)，在充電前不必將剩余電量放空，使用方便。

　　6.安全性能好

　　聚合物鋰電池在結(jié)構(gòu)上采用鋁塑軟包裝，有別于液態(tài)電芯的金屬外殼，一旦發(fā)生安全隱患，液態(tài)電芯容易爆炸，而聚合物電芯最多只會氣鼓。

　　7.厚度小，能做得更薄

　　超薄，電池能夠組裝進信用卡中。普通液態(tài)鋰電采用先定制外殼，后塞正負極材料的方法，厚度做到3.6mm以下存在技術(shù)瓶頸，聚合物電芯則不存在這一問題，厚度可做到1mm以下，符合時下手機需求方向。

　　8.重量輕

　　采用聚合物電解質(zhì)的電池?zé)o需金屬殼來作為保護外包裝。聚合物電池重量較同等容量規(guī)格的鋼殼鋰電輕40%，較鋁殼電池輕20%。

　　9.容量大

　　聚合物電池較同等尺寸規(guī)格的鋼殼電池容量高10～15%，較鋁殼電池高5～10%，成為彩屏手機及彩信手機的首選，現(xiàn)在市面上新出的彩屏和彩信手機也大多采用聚合物電芯。

　　10.內(nèi)阻小

　　聚合物電芯的內(nèi)阻較一般液態(tài)電芯小，目前國產(chǎn)聚合物電芯的內(nèi)阻甚至可以做到35mΩ以下，極大的減低了電池的自耗電，延長手機的待機時間，完全可以達到與國際接軌的水平。這種支持大放電電流的聚合物鋰電更是遙控模型的理想選擇，成為最有希望替代鎳氫電池的產(chǎn)品。

　　11.形狀可定制

　　制造商不用局限于標準外形，能夠經(jīng)濟地做成合適的大小。聚合物電池可根據(jù)客戶的需求增加或減少電芯厚度，開發(fā)新的電芯型號，價格便宜，開模周期短，有的甚至可以根據(jù)手機形狀量身定做，以充分利用電池外殼空間，提升電池容量。

　　12.放電特性佳

　　聚合物電池采用膠體電解質(zhì)，相比液態(tài)電解質(zhì)，膠體電解質(zhì)具有平穩(wěn)的放電特性和更高的放電平臺。

　　13.保護板設(shè)計簡單

　　由于采用聚合物材料，電芯不起火、不爆炸，電芯本身具有足夠的安全性，因此聚合物電池的保護線路設(shè)計可考慮省略PTC和保險絲，從而節(jié)約電池成本。