淺談鋰離子電池，簡單分析鋰離子電池的知識
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-02-28 14:59
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先要澄清一個概念，就是什么是鋰電池和鋰離子電池。是的，你沒看錯，這兩種電池實(shí)際上指的不是同一個東東。鋰電池，負(fù)極材料所使用的是金屬鋰，屬于一次電池，也就是說放一次電就完了，不能再充電。而鋰離子電池屬于二次電池，可以反復(fù)充電，循環(huán)使用。當(dāng)然現(xiàn)在大家說的鋰電池基本上指的都是鋰離子電池，因?yàn)檎f順口了，“離子”兩個字就被省略了。以前的紐扣電池、相機(jī)電池就是鋰一次電池，但現(xiàn)在用得很少了，好像也就鋰亞硫酰氯電池現(xiàn)在還有企業(yè)在生產(chǎn)。而我們所說的手機(jī)、筆記本電腦、相機(jī)等里面的“鋰電池”，實(shí)際上指的是鋰離子二次電池（Lithium-ion Secondary Battery）。
鋰離子電池所使用的電解質(zhì)分為幾大類，包括有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)、聚合物電解質(zhì)和無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)。最常見的也是唯一實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模商用的就是有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)，這種電解質(zhì)是由溶劑與溶質(zhì)構(gòu)成的有機(jī)溶液，其中溶質(zhì)主要是六氟磷酸鋰LiPF6，溶劑則為各種碳酸酯，當(dāng)然出于實(shí)際應(yīng)用的需要還會添加一些必要的添加劑?？吹竭@里也許有人就該問了，既然電解質(zhì)是液態(tài)的，那如果在兩端施加壓力，正負(fù)極不就碰到一起短路了嗎？為了解決這個問題，在實(shí)際的鋰離子電池中，正負(fù)極之間有一層聚合物隔離膜，隔開了正負(fù)極，所以就不怕被壓了。當(dāng)然這個隔離膜是多孔，這樣電解質(zhì)中的溶劑分子才能夠自由的穿梭而過?，F(xiàn)在很多廠商說他們生產(chǎn)的是所謂“聚合物鋰電池”，其實(shí)就是使用了這種聚合物隔離膜的鋰離子電池。據(jù)我所知，第一只商用鋰離子電池就使用了這種聚合物隔離膜，所以這并不是個新鮮玩意，所謂的“聚合物鋰電池”其實(shí)是個噱頭而已。那什么才是真正的聚合物鋰離子電池呢？按我的理解，應(yīng)該是使用了聚合物電解質(zhì)的鋰離子電池。有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)雖然好，但是它最大的一個缺點(diǎn)就是不安全。近些年來所報(bào)道的各種鋰離子電池燃燒、爆炸事故，多半都跟這個易燃的有機(jī)物電解質(zhì)有關(guān)。所以研究人員就希望用更安全的電解質(zhì)來代替它，比如聚合物電解或無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)。而遺憾的是，聚合物電解質(zhì)和無機(jī)電解質(zhì)雖然有人在研究，但一直都未實(shí)現(xiàn)商用化，因?yàn)橛泻芏鄬?shí)際的問題還沒有解決。當(dāng)然現(xiàn)在有些廠商也開始嘗試部分的使用新型電解質(zhì)，但規(guī)模還不大，而且成本巨高，看來等我們真正的能用到聚合物或固態(tài)鋰離子電池還有一段時間。
為什么研究者選擇了鋰而不是其他金屬？嗯。。。理由也許有很多，但我認(rèn)為最重要的一點(diǎn)是：鋰離子它很“瘦”，說白了也就是它的離子半徑很小。學(xué)過元素周期表的都知道，第一周期都是氣體，不方便拿來做電池。第二周期中，金屬只有鋰和鈹，而鈹有毒，不方便使用。鋰呢？又輕又小，而且對環(huán)境還友好，不用它用誰？
你說同族的堿金屬元素？比如鈉吧，地球上鈉的豐度比鋰可高多了，海水里面就有大量的鈉存在，如果可以用鈉做電池不是成本更低嗎？我們學(xué)過化學(xué)的都知道，鈉離子比鋰離子多一個電子層，所以鈉離子要“胖”一點(diǎn)。別看就胖了這么一點(diǎn)，鈉離子的導(dǎo)體（一般是固態(tài)無機(jī)物）要在350℃下才能有效的傳輸鈉離子，你能想象用個手機(jī)或者筆記本電腦，先把電池加熱到350℃嗎？或者你要開車的時候，先把車子加熱到350℃？明顯不現(xiàn)實(shí)也不安全嘛。當(dāng)然不是說鈉離子不能做成電池，實(shí)際上就有鈉硫電池這種儲能電池，日本的一家公司就做出了世界上第一個商用鈉硫電池堆，當(dāng)然不是用來給手機(jī)充電的，而是用來儲存電能的。比如說，全天的用電情況是不同的，一般來說白天用電量高而晚上用電量低。而發(fā)電廠是24小時連續(xù)發(fā)電運(yùn)作的，這樣晚上發(fā)的電如果多余了不就白白浪費(fèi)了嗎？所以人們希望在用電低峰的時段把多余的電存起來，等到用電高峰時段再放出去，這樣一來節(jié)約了能源，二來也緩解了用電高峰時段的緊張。鈉硫電池等高溫大型電堆就是在這種地方有它的用武之地。
純電動汽車使用的大多是鋰離子電池?；旌蟿恿σ?yàn)閷﹄姵匦阅芤笙鄬^低，所以為節(jié)約成本，所以有廠家使用技術(shù)相對較成熟的鎳氫電池。鉛酸電池在車上用作動力電池的就很少見了。
首先在這里我想說的是，在沒有專業(yè)工具與相對安全的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，最好不要輕易拆卸鋰離子電池，請自重！
在圖2中我們看到的只是一個抽象的鋰離子電池的原理模型，而實(shí)際我們所使用的鋰離子電池是怎樣的呢？許多沒在鋰離子電池工廠工作的過的人也許都不清楚鋰離子電池內(nèi)部到底長啥樣，今天我就來給大家揭秘這個“神秘”的鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)
首先我們拿到一個鋰離子電池，從外觀上來說大致可分為以下三類：硬殼電池、軟包電池和圓柱型電池。硬殼電池指的是外包裝殼為硬質(zhì)材料，一般有鋼殼、鋁殼和塑（料）殼三種，如圖5中所示。這種電池的優(yōu)點(diǎn)就是外殼堅(jiān)硬，不易破損，缺點(diǎn)是有可能發(fā)生爆炸。所以硬殼電池，尤其是容量大的硬殼電池都配有一個減壓閥，當(dāng)內(nèi)部壓力達(dá)到一定的時候會自動爆開減壓，以防止電池爆炸。一些品牌的手機(jī)電池主要是硬殼電池，具體來說是鋁殼電池，我們看到的手機(jī)電池是在鋁殼外面加了一層包裝膜和一個電路保護(hù)板，工業(yè)上叫“派克”Pack。
而軟包電池顧名思義就是外包裝為軟質(zhì)的鋁塑包裝膜等材料的電池（圖6），這種電池的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，理論上可以設(shè)計(jì)成任何形狀（不過一般是長方體）。而且軟包電池在極端情況下只會燃燒而不會發(fā)生爆炸，安全性比硬殼電池好，它的缺點(diǎn)則是包裝易破損。
圓柱型電池主要指的是18650型鋰離子電池（圖7），其中18是指圓柱面直徑為18mm，而65是指圓柱高度為65mm，0指園柱形電池。這是一種標(biāo)準(zhǔn)電池，就像我們平常所說的5號、7號堿性電池一樣，而首推它的是鋰離子電池鼻祖—索尼公司。當(dāng)年索尼也想像干電池一樣，為鋰離子電池定幾個標(biāo)準(zhǔn)型，來同一全世界的標(biāo)準(zhǔn)。但由于客戶需求的多樣性以及鋰離子電池可設(shè)計(jì)的靈活性，索尼所推的18650標(biāo)準(zhǔn)并沒有完全得到大家的認(rèn)同。你可以試想一下，如果鋰離子電池都是18650型的，那蘋果的iPad和iPhone怎么可能做得那么?。克袁F(xiàn)在越來越多的客戶需求是倒向了靈活設(shè)計(jì)的各種軟包電池。那么18650型電池主要用在哪里呢？就是我們的筆記本電腦。我們買電腦的時候，有一項(xiàng)參數(shù)就是電池是幾芯的，比如說4芯電池，那就是整個電池組內(nèi)含有4個18650單元，以此類推。
我們拿到一只軟包鋰離子電池，上面一般會有這個產(chǎn)品的編號噴碼，這里我就在網(wǎng)上隨便找一個圖來做示范了（圖8）。這個噴碼的第一行一般是廠商名稱，比如這個就是“LARGE”。后面的數(shù)字，103450是電池的型號。在鋰離子電池行業(yè)中，電池型號的編制規(guī)則一般是電池的厚、寬、長寸，例如這個103450，就表示這個電池的厚寬長是10mm×34mm×50mm，這樣的定義非常簡單明了，幾乎所有的鋰離子電池廠都會按照這個規(guī)則來定型號。當(dāng)然有些廠商的編號里會出現(xiàn)英文，那是因?yàn)樵?00mm以上時，為了保持每個維度兩位數(shù)，令100mm為A，110mm為B，以此類推。例如某個電池型號為24B0C5，表示它的尺寸是2.4mm×110mm×125mm，注意厚度是靈活加小數(shù)點(diǎn)的，一般電池不可能達(dá)到24mm厚，所以這里表示的應(yīng)該是2.4mm。后面的1000mAh是指這個電池的標(biāo)稱放電容量，這個容量是指把電池滿充到制定的電壓，然后放電只到規(guī)定的截止電壓為止，所能放出的容量。鈷酸鋰型鋰離子電池一般的最高充電電壓為4.2V，有的廠商能做到4.3V甚至4.4V，錳酸鋰的要更高一些，而磷酸鐵鋰型電池最高充電電壓一般為3.6V（這也就是為什么磷酸鐵鋰電池的能量密度要相對低一些）；放電截止電壓一般為3.0V，磷酸鐵鋰型電池一般為2.0V。有人就說了，如果我要充到更高會怎么樣？首先，電極的結(jié)構(gòu)會發(fā)生不可逆改變，也就是說下一次這些發(fā)生改變的地方就用不了了，容量也就下降了。其次，電解液能承受的電壓范圍也是有限的，如果你充到電壓很高，電解液中的有機(jī)溶劑就會被氧化，生成各種氣體，使電池有破裂和爆炸的危險(xiǎn)。相對應(yīng)的同樣的道理也不能放到更低的電壓。那么標(biāo)在后面的這個3.7V應(yīng)該怎么理解呢？從上面的解釋我們可以知道，鋰離子電池的放電并不是恒定的保持在某一個電壓，而是隨著放電深度的進(jìn)行而不斷的降低的。這個3.7V就是指放電區(qū)間的平均電壓，或者可以理解為電壓平臺。也有另一種計(jì)算方法，就是拿放電到截止后所放出的能量（單位Wh）除以容量（單位Ah），這樣就可以計(jì)算得出一個電壓，就是這個平均電壓3.7V
我們知道，電池的內(nèi)部電荷的傳導(dǎo)靠的是離子，對于鋰離子電池來說就是鋰離子，而在外部靠的是電子。絕大部分鋰離子電池正負(fù)極材料都是電子的不良導(dǎo)體（但是可以傳導(dǎo)鋰離子），所以這就需要一個電子導(dǎo)體—在這里稱為集流體和極耳形成外部電子回路。對于鋰離子電池來說，正極集流體一般采用的是金屬鋁箔，采用鋁極耳；而負(fù)極集流體采用金屬銅箔，采用鎳極耳。為什么要這樣？首先因?yàn)樗鼈兌际墙饘?，而且是電?dǎo)率較高而成本較低的金屬，所以使用它們對電子良好的傳導(dǎo)性。然后，鋁如果用在負(fù)極，在低電位下可能會發(fā)生鋰鑲嵌，對電池的容量有損；而銅作為正極集流體的話，在高電位下容易被氧化（鋁會形成鈍化膜），所以也不適合用于正極。當(dāng)集流體確定了之后，電極物質(zhì)（也就是我們所說的正負(fù)極活性材料）就會被涂覆到集流體表面，形成一層薄薄的活性物質(zhì)層，中間再加上隔離膜防止正負(fù)極直接接觸而造成短路。這樣，鋰離子電池的基本結(jié)構(gòu)就確定了。那么現(xiàn)在請你試想一下，如果你是第一個設(shè)計(jì)鋰離子電池的設(shè)計(jì)師，你會做怎樣的設(shè)計(jì)，在有限的空間內(nèi)發(fā)揮出最大的容量（也就是能量密度最高）？20世紀(jì)90年代的電池工程師們給出的答案是卷繞。將兩面都涂覆有活性材料的正負(fù)極極片以及隔離膜通過一個卷針卷繞在一起，這樣形成的卷芯，再通過壓實(shí)后，會形成緊密的電芯結(jié)構(gòu)，能夠較好的利用空間（圖9）。這樣的卷芯在工業(yè)上叫做Jelly-Roll，也就是卷心蛋糕的意思。愛觀察的同學(xué)也許已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，卷芯結(jié)構(gòu)中，負(fù)極活性物質(zhì)總是比正極活性物質(zhì)要多出來那么一點(diǎn)，這是鋰離子電池設(shè)計(jì)的一個原則，叫做負(fù)極過量。試想如果負(fù)極活性物質(zhì)當(dāng)量比正極少，那么在充電時，當(dāng)負(fù)極能容納鋰離子的位置已經(jīng)被占滿后，從正極過來的鋰離子就會在負(fù)極表面形成鋰沉淀析出，這樣的后果有可能是極為嚴(yán)重的。一是析出的鋰是不可再利用的，也就是“回不去了”，不可能再回到正極材料那一邊，所以整個電池的容量就少了；二是析出的鋰有可能會形成鋰枝晶（你可以理解為毛刺），有可能刺破隔離膜而導(dǎo)致短路。所以鋰離子電池的設(shè)計(jì)原則是正負(fù)極按照負(fù)極比正極多來設(shè)計(jì)的。同時還要保證負(fù)極活性物質(zhì)能夠“蓋住”所對應(yīng)的正極活性物質(zhì)，這樣過來的鋰離子才不至于會沉積到銅箔上去。如果你了解了這一點(diǎn)，肯定會自然而然的想到，隔離膜要比負(fù)極還要“大”，要“包住”負(fù)極，這樣才不會導(dǎo)致短路。所以鋰離子電池卷繞設(shè)計(jì)的原則是：隔離膜包負(fù)極，負(fù)極包正極，這樣保證了電池的安全性。
