第二章第4节锂离子分类

第四节锂电池分类体系介绍XiangyangAutovocationaltechnicalcollegeXiangyangAutovocationaltechnicalcollege1.锂电池分类总的分类：1、根据锂电池所用电解质材料不同，锂电池可以分为液态锂电池(lithiumionbattery,简称为LIB)和聚合物锂电池(polymerlithiumionbattery,简称为LIP)两大类。2、按充电方式可分为：不可充电的及可充电的两类。3、锂电池外型分：有方型锂电（如常用的手机电池）和柱形（如18650，18500）；4、锂电池外包材料分：铝壳锂电池，钢壳锂电池，软包电池；5、锂电池从正负极材料（添加剂）分：钴酸锂(LiCoO2)电池、锰酸锂（LiMn2O4），磷酸铁锂电池，一次性二氧化锰锂电池XiangyangAutovocationaltechnicalcollege2.聚合物锂离子电池

聚合物锂电池所用的正负极材料与液态锂都是相同的，电池的工作原理也基本一致。它们的主要区别在于电解质的不同,锂电池使用的是液体电解质,而聚合物锂电池则以固体聚合物电解质来代替,这种聚合物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用聚合物胶体电解质。聚合物锂电池可分为三类：1、固体聚合物电解质锂电池。电解质为聚合物与盐的混合物，这种电池在常温下的离子电导率低，适于高温使用。2、凝胶聚合物电解质锂电池。即在固体聚合物电解质中加入增塑剂等添加剂，从而提高离子电导率，使电池可在常温下使用。3、聚合物正极材料的锂电池。采用导电聚合物作为正极材料，其能量是现有锂电池的3倍，是最新一代的锂电池。

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由于用固体电解质代替了液体电解质,与液态锂电池相比，聚合物锂电池具有可薄形化、任意面积化与任意形状化等优点，也不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题，因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳，从而可以提高整个电池的容量；聚合物锂电池还可以采用高分子作正极材料，其质量比能量将会比目前的液态锂电池提高50％以上。此外,聚合物锂电池在工作电压、充放电循环寿命等方面都比锂电池有所提高。基于以上优点，聚合物锂电池被誉为下一代锂电池。2.聚合物锂离子电池XiangyangAutovocationaltechnicalcollege3.不可充电锂电池

不可充电的电池称为一次性电池，它只能将化学能一次性地转化为电能，不能将电能还原回化学能（或者还原性能极差）。而可充电的电池称为二次性电池（也称为蓄电池）。它能将电能转变成化学能储存起来，在使用时，再将化学能转换成电能，它是可逆的。1、不可充电的锂电池有多种，目前常用的有锂－二氧化锰电池、锂—亚硫酰氯电池及锂和其它化合物电池。（1）锂-二氧化锰电池

锂-二氧化锰电池是一种以锂为阳极、以二氧化锰为阴极，并采用有机电解液的一次性电池。该电池的主要特点：（1）电池电压高，额定电压为3v（是一般碱性电池的2倍）；（2）终止放电电压为2v；比能量大，放电电压稳定可靠；（3）自放电率低（年自放电率≤2％），储存性能较好(储存时间3年以上）；（4）工作温度范围－20℃～＋60℃。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege（2）锂-亚硫酰氯电池Li/SOCl2电池由锂负极、碳正极和一种非水的SOCl2：LiAlCl4电解质组成。亚硫酰氯既是电解质，又是正极活性物质。

锂-亚硫酰氯电池特点：（1）额定电压是3.6v，以中等电流放电时具有极其平坦的3.4v放电特性（可在90％容量范围内平坦地放电，保持不大的变化）（2）电池可以在－40℃～＋85℃范围内工作，但在－40℃时的容量约为常温容量的50％。（3）自放电率低（年自放电率≤1％）、储存寿命长达10年以上。3.不可充电锂电池XiangyangAutovocationaltechnicalcollege4.可充电电池2、可充电的锂电池

可充电的锂电池有多种，如锂-钒氧化物电池，锂电池及国外新开发的锂-聚合物电池等。可充电锂电池是目前手机中应用最广泛的电池，但它较为“娇气”，在使用中不可过充、过放（会损坏电池或使之报废）。因此，在电池上有保护元器件或保护电路以防止昂贵的电池损坏。锂电池充电要求很高，要保证终止电压精度在1%之内，目前各大半导体器件厂已开发出多种锂电池充电的IC，以保证安全、可靠、快速地充电。(1）锂-钒氧化物电池

锂-钒氧化物电池以锂为阳极、钒氧化物为阴极、无机盐的有机溶剂为电解质组成。它的特点是可以充电。特点：（1）额定电压仅为2.8v，而且额定容量也小；（2）其比能量是最小的。此外，其充电次数（循环寿命）也不长，所以这种可充电电池不久就由锂电池替代了。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege（2）锂离子电池

锂离子电池是目前应用最为广泛的锂电池，它根据不同的电子产品的要求可以做成扁平长方形、圆柱形、长方形及扣式，并且有由几个电池串联在一起组成的电池组。锂电池特点：（1）额定电压为3.6v（有的产品为3.7v）。（2）充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关：阳极材料为石墨的4.2v；阳极材料为焦炭的4.1v。（3）不同阳极材料的内阻也不同，焦炭阳极的内阻略大，其放电曲线也略有差别。（4）锂离子电池的终止放电电压为2.5v-2.75v（电池厂给出工作电压范围或给出终止放电电压，各参数略有不同）。低于终止放电电压继续放电称为过放，过放对电池会有损害。

4.可充电电池XiangyangAutovocationaltechnicalcollege5.锂电池正极材料体系

锂电池从正负极材料体系划分可以分为：（1）钴酸锂(LiCoO2)电池；（2）锰酸（LiMn2O4）锂电池；（3）磷酸铁锂电池；（4）三元聚合物锂电池；

钴酸锂(LiCoO2)电池由于其具有工作电压高、能流密度高、循环压寿命长、自放电低、无污染、安全性能好等独特的优势，现已广泛用作移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等的电源。锰酸锂在原料价格上优势明显。但在容量和循环寿命上存在不足。钴酸锂的实际使用比容量为130mAh／g，循环次数可达到300至500次以上：XiangyangAutovocationaltechnicalcollege6.钴酸锂及锰酸锂电池

锰酸锂是较有前景的锂离子正极材料之一，相比钴酸锂等传统正极材料，锰酸锂具有资源丰富、成本低、无污染、安全性好、倍率性能好等优点，是理想的动力电池正极材料，但其较差的循环性能及电化学稳定性却大大限制了其产业化。锰酸锂主要包括尖晶石型锰酸锂和层状结构锰酸锂，其中尖晶石型锰酸锂结构稳定，易于实现工业化生产，目前市场产品均为此种结构。尖晶石型锰酸锂属于立方晶系，理论比容量为148mAh/g，由于具有三维隧道结构，锂离子可以可逆地从尖晶石晶格中脱嵌，不会引起结构的塌陷，因而具有优异的倍率性能和稳定性XiangyangAutovocationaltechnicalcollege7.磷酸铁锂电池

磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂电池。磷酸铁锂电池的特性：①超长寿命长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右，最高也就500次，而磷酸铁锂动力电池，循环寿命达到2000次以上，标准充电（5小时率）使用，可达到2000次。同质量的铅酸电池最多也就1—1.5年时间，而磷酸铁锂电池在同样条件下使用，将达到７－８年。②使用安全磷酸铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，钴酸锂和锰酸锂在强烈的碰撞下会产生爆炸对消费者的生命安全构成威胁，而磷酸铁锂以经过严格的安全测试即使在最恶劣的交通事故中也不会产生爆炸③工作温度范围宽广（-20C-75C）④比普通电池（铅酸等）更大的容量。⑤无记忆效应。电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege8.锰酸锂与磷酸铁锂性能之争：锰酸锂VS磷酸铁锂

非动力锂电池正极材料通常是钴酸锂，而动力锂电池正极材料当今分为锰酸锂和磷酸铁锂两大派系，日本厂家力主锰酸锂，并且已经推出数款采用锰酸锂电池的电动车，如日产聆风；而美国和中国厂家热衷于磷酸铁锂，A123是磷酸铁锂的龙头厂家。磷酸铁锂在性能上异常优秀，磷酸铁锂作为正极材料能量密度就大于锰酸锂而且在各种正极材料中，它的内部阻力是非常小的，这使得电池的使用寿命较长，充放电时发热量小，安全性高。但在工业化成熟度、成本、一致性上，锰酸锂远优于磷酸铁锂。由于电动车用的锂电池是数十甚至数百个电芯连接起来的，对一致性要求非常高，这是磷酸铁锂最难做到的。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege9.三元锂电池三元聚合物锂电池

钴酸锂是目前应用最广的电池材料，但钴资源日益匮乏，价格昂贵，钴酸锂电池在使用过程中存在安全隐患。镍钴锰酸锂以相对廉价的镍和锰取代了钴酸锂中三分之二以上的钴，成本方面优势非常明显，和其他锂离子电池正极材料锰酸锂、磷酸亚铁锂相比，镍钴锰酸锂材料和钴酸锂在电化学性能和加工性能方面非常接近，使得镍钴锰酸锂材料成为新的电池材料而逐渐取代钴酸锂，成为新一代锂离子电池材料的宠儿。镍钴锰酸锂性能:（1）高能量密度，理论容量达到280mAh/g，产品实际容量超过150mAh/g；（2）循环性能好在常温和高温下均具有优异的循环稳定性；（3）具有电压高在2.5-4.3/4.4V电压范围内循环稳定可靠；（4）热稳定性好在4.4V充电状态下的材料热分解稳定；（5）循环寿命长1C循环寿命500次容量保持80%以上；（6）晶体结构理想、自放电小、无记忆效应等突出优点.XiangyangAutovocationaltechnicalcollege10.钛酸锂电池钛酸锂电池

作为锂离子电池负极材料-钛酸锂，可与锰酸锂、三元材料或磷酸铁锂等正极材料组成2.4V或1.9V的锂离子二次电池。此外，它还可以用作正极，与金属锂或锂合金负极组成1.5V的锂二次电池。由于钛酸锂的高安全性、高稳定性、长寿命和绿色环保的特点。可以预见：钛酸锂材料在2－3年后，一定会成为新一代锂离子电池的负极材料而被广泛应用在新能源汽车、电动摩托车和要求高安全性、高稳定性和长周期的应用领域。钛酸锂电池工作电压2.4V，最高电压3.0V，充电电流大于2C。组成正极：磷酸铁锂、锰酸锂或三元材料、镍锰酸锂。负极：钛酸锂材料。隔膜：以碳作负极的锂电池隔膜。电解液：以碳作负极的锂电池电解液。电池壳：以碳作负极的锂电池壳。

XiangyangAutovocationaltechnicalcollege钛酸锂电池优点

采用电动车辆取代燃油车辆是解决城市环境污染的最佳选择，其中锂离子动力电池引起了研究者的广泛关注.为了满足电动车辆对车载铿离子动力电池的要求，研制安全性高、倍率性能好且长寿命的负极材料是其热点和难点。商业化的锂离子电池负极主要采用碳材料，但以碳做负极的锂电池在应用上仍存在一些弊端：1、过充电时易析出锂枝晶，造成电池短路，影响锂电池的安全性能;2、易形成SEI膜而导致首次充放电效率较低，不可逆容量较大;3、即碳材料的平台电压较低(接近于金属锂)，并且容易引起电解液的分解,从而带来安全隐患。4、在锂离子嵌入、脱出过程中体积变化较大，循环稳定性差。与碳材料相比，尖晶石型的Li4Ti5012具有明显的优势：1、它为零应变材料，循环性能好；2、放电电压平稳，而且电解液不致发生分解，提高锂电池安全性能；3、与炭负极材料相比，钛酸锂具有高的锂离子扩散系数可高倍率充放电等；4、钛酸锂的电势比纯金属锂的高，不易产生锂晶枝，为保障锂电池的安全提供了基础。10.钛酸锂电池XiangyangAutovocationaltechnicalcollege钛酸锂电池缺点1、相对其他类型的锂离子动力电池能量密度会低一些。2、胀气问题一直阻碍着钛酸锂电池的应用。3、相对其他类型的锂离子动力电池价格偏高。4、电池一致性仍存在差异，随着充放电次数的增加电池一致性差异会逐渐增大。10.钛酸锂电池XiangyangAutovocationaltechnicalcollege11.锂电池各种材料体系对比锂电池各种材料系对比表锂离子电池的充电过程分为两个阶段：恒流快充阶段（指示灯呈红色）和恒压电流递减阶段（指示灯呈黄色）。锂离子电池原理探讨锂离子电池过度充放电会对正负极造成永久性损坏。过度放电导致负极碳片层结构出现塌陷，而塌陷会造成充电过程中锂离子无法插入；过度充电使过多的锂离子嵌入负极碳结构，而造成其中部分锂离子再也无法释放出来。

锂离子电池保持性能最佳的充放电方式为浅充浅放。电池内阻电池内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。有欧姆内阻与极化内阻两部分组成。电池内阻值大，会导致电池放电工作电压降低，放电时间缩短。内阻大小主要受电池的材料、制造工艺、电池结构等因素的影响。电池内阻是衡量电池性能的一个重要参数。锂离子电池性能参数指标电池的容量

电池的容量有额定容量和实际容量之分。锂离子电池规定在常温、恒流(1C)、恒压(4.2V)控制的充电条件下，充电3h、再以0.2C放电至2.75V时，所放出的电量为其额定容量。电池的实际容量是指电池在一定的放电条件下所放出的实际电量，主要受放电倍率和温度的影响（故严格来讲，电池容量应指明充放电条件）。容量单位：mAh、Ah(1Ah=1000)。

工作电压又称端电压，是指电池在工作状态下即电路中有电流流过时电池正负极之间的电势差。在电池放电工作状态下，当电流流过电池内部时，不需克服电池的内阻所造成阻力，故工作电压总是低于开路电压，充电时则与之相反。锂离子电池的放电工作电压在3.6V左右。开路电压和工作电压

开路电压是指电池在非工作状态下即电路中无电流流过时，电池正负极之间的电势差。一般情况下，锂离子电池充满电后开路电压为4.1—4.2V左右，放电后开路电压为3.0V左右。通过对电池的开路电压的检测，可以判断电池的荷电状态。放电平台时间放电平台时间是指在电池满电情况下放电至某电压的放电时间。例对某三元电池测量其3.6V的放电平台时间，以恒