我們現(xiàn)在使用的鋰電池都是鋰離子電池，此外還有鋰金屬電池，以鋰金屬或鋰合金作為負極材料的一種電池，最早在1912年便由Gilbert N. Lewis提出，當時的鋰金屬電池為一次電池（不可充電），由于相比當時的其他電池，鋰金屬電池對加工、保存的要求高，因而沒有成為主流。

 

而鋰離子電池則比鋰金屬電池年輕許多，它采用鋰的金屬氧化物作為正極，于20世紀70年代誕生，但直到90年代，隨著電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，對高功率、高能量密度電池的需求增大，鋰離子電池才開始成為主流。并且，鋰金屬電池隨著技術(shù)發(fā)展，近來有開始復興的趨勢，但還未形成潮流，本文主要討論的對象三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池均為鋰離子電池，除此之外，算上鈦酸鋰電池，這三種電池是主流的車用動力電池。

☆鋰離子電池的結(jié)構(gòu)

鋰離子電池的主要結(jié)構(gòu)包括正、負極、電解液、隔膜和其他一些附件。其中正極材料是研究的重點，三元鋰和磷酸鐵鋰均描述了鋰離子電池的正極材料。而當前應用的負極材料主要為石墨，結(jié)晶度高，導電性好，對鋰離子的容量大，達到了372mAh/g，大大超過了正極材料的容量，這也是為什么現(xiàn)在主要研究正極材料的原因。

☆鋰離子電池充放電的基本原理

 

先明確兩個概念，一，電池是將氧化還原反應的化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。典型特征就是電極上反應物得失電子，通過外電路流動，進而便產(chǎn)生了電流。正負極之間的電荷傳遞是通過電解液中陰陽離子的運動形成的。

 

二，二次電池是指可多次再充放電的電池，其內(nèi)部發(fā)生的電化學反應是可逆的。電池放電，內(nèi)部的A物質(zhì)變成B物質(zhì)，化學能變成電能；而充電時，B物質(zhì)又能夠變回A物質(zhì)，電能變成化學能儲存。

 

充電時鋰離子從正極材料的晶格中脫出經(jīng)過電解質(zhì)嵌入到負極材料層中；放電時鋰離子從負極材料晶格中脫出，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入到正極材料中。而電子則通過外電路，形成電流。

 

式中，Y為過度金屬，在鈷酸鋰電池（LiCoO2）中Y為鈷（Co），在錳酸鋰電池中就是錳（Mn）。對于三元鋰電池就是鎳鈷錳酸鋰[Li（NiCoMn）O2]中的NiCoMn，對于磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池，就是FePO4。

☆磷酸鐵鋰和三元鋰電池

磷酸鐵鋰電池的特點在于安全性高，高倍率充放電特性和較長的循環(huán)壽命。文獻顯示，在充電條件為1C倍率充電至3.65V，然后轉(zhuǎn)恒壓至電流下降到0.02C，之后以1C倍率放電至截止電壓2.0V，循環(huán)1600次之后電池容量仍有初始容量的80%。

PS：充放電倍率=充放電電流/額定容量；例如：額定容量為100Ah的電池用20A放電時，其放電倍率為0.2C。電池放電C率，1C,2C,0.2C是電池放電速率：表示放電快慢的一種量度。所用的容量1小時放電完畢，稱為1C放電；5小時放電完畢，則稱為1/5=0.2C放電。一般可以通過不同的放電電流來檢測電池的容量。對于24AH電池來說，2C放電電流為48A，0.5C放電電流為12A。

20Ah磷酸鐵鋰電池的循環(huán)性能

其充放電特性也較為穩(wěn)定，以0.5C、1C、3C不同倍率放電時，放電容量下降不到5%，電壓在放電過程中有著較大的穩(wěn)定平臺，大倍率放電情況下的穩(wěn)定性關系著電動車在急加速、高速等大功率需求工況下的性能表現(xiàn)，電壓越穩(wěn)定，車輛性能表現(xiàn)也越好，另外，這也可以解釋為什么電動車高速行駛時續(xù)航能力會減弱，電池在大功率輸出時，實際放電容量會縮小。

20Ah磷酸鐵鋰電池不同倍率放電性能

磷酸鐵鋰電池也擁有良好的快充特性，3C倍率充電條件下，15分鐘可以充電55%，30分鐘充個電容量超過95%。注意這是實驗室條件，另外僅僅只是一塊20Ah，3.65V標稱電壓的單電池，與車用400V左右電壓100Ah及以上容量的電池組不能相提并論，兩者的充電功率相差百倍以上。

20Ah磷酸鐵鋰電池3C快充性能

除了壽命長，充放電性能優(yōu)秀之外，磷酸鐵鋰電池最大的優(yōu)點是其安全性，磷酸鐵鋰的化學性質(zhì)穩(wěn)定，高溫穩(wěn)定性好，700-800℃才會開始發(fā)生分解，且在面對撞擊、針刺、短路等情況時不會釋出氧分子，不會產(chǎn)生劇烈的燃燒，安全性能高。

20Ah磷酸鐵鋰電池不同溫度下的放電容量

三元鋰電池指的是含有鎳鈷錳三種元素的過渡金屬嵌鋰氧化物符合材料正極的鋰電池，可用通式表示為LiMnxNiyCo1-x-yO2（0

但是三元鋰電池的安全性較差。三元鋰電池熱穩(wěn)定性較差，250-300℃就會發(fā)生分解，遇到電池中可燃的電解液、碳材料后一點就著，產(chǎn)生的熱量進一步加劇正極分解，在極短的時間內(nèi)就會爆燃。車禍中，外力撞擊會損壞電池隔膜，進而導致短路，而短路時發(fā)出的熱量會造成電池熱失控，并迅速將溫度升至300℃以上，存在自燃風險。因此，對于三元鋰電池而言，其電池管理系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)就至關重要。三元鋰電池的特點是能量密度大，電壓更高，所以同樣重量的電池組電池容量更大，車子跑的距離也就更遠，速度也能更快。但是其弱點在于穩(wěn)點性較差，如果內(nèi)部短路或是正極材料遇水，都會有明火產(chǎn)生。所以一般18650電池都會有一層鋼殼保護，由于特斯拉的電池組是由7000塊左右的18650電池組合而成，所以，雖然特斯拉給電池組進行了全方位的保護，但是在極端的碰撞事故中，起火隱患還是有的。

 

之所以這樣，原因是兩種材料在到達一定溫度時發(fā)生分解，三元鋰材料會在更低的200度左右發(fā)生分解，而磷酸鐵鋰材料是在800度左右。并且三元鋰材料的化學反映更加劇烈，會釋放氧分子，在高溫作用下電解液迅速燃燒，發(fā)生連鎖反應。說簡單點，就是三元鋰材料比磷酸鐵鋰材料更容易著火。不過需要注意的是，我們提到的是材料，而不是已經(jīng)成為成品的電池。，三元聚合物鋰電池的確有著更優(yōu)于磷酸鐵鋰電池的特質(zhì)，然而為什么它的發(fā)展卻受到了阻礙呢？新能源汽車的發(fā)展關鍵，同樣是困擾著移動數(shù)碼產(chǎn)品的關鍵——電池的發(fā)展。如何在安全的情況下保證電池技術(shù)能夠滿足消費者日益成長的需求，不僅是汽車科技相關行業(yè)人員，還是科研工作者在全領域的追求。

說到要買新能源汽車，可能大部分的消費者第一時間想起的是“政策優(yōu)惠”，雖然這有點尷尬但確實是相當實在的原因。在國內(nèi)的銷售環(huán)境中，新能源汽車要打開局面，可不僅僅是因為“環(huán)保”這樣的任重道遠的使命感。新能源車在售價和養(yǎng)護成本上的優(yōu)勢的確吸引了大部分現(xiàn)階段仍然以用車成本為主的消費者的喜愛。