锂离子电池的类型与特点（可编辑）

锂离子电池的类型与特点

随着全球能源危机与工况污染的加剧，作为重要作用因素的汽车，电气化方向发展已经成为必然的趋势。进入2017年，全球新能源汽车加速发展，多个国家制定了刺激新能源汽车发展的政策。作为新能源汽车的主导，电动汽车的发展受到了广泛的关注。特别是2014年，美国电动汽车制造商特斯拉在中国刮起的“特斯拉旋风”，更是引起了人们对电动汽车的关注。特斯拉之所以能够吸引消费者的关注，除了其高端的定位、独特的设计、智能化的配置外，超长的续航里程是关注的焦点。而作用续航里程的主导因素，就是汽车的动力电池。本项目主要介绍了不同类型如锂离子、铅酸、镍氢、燃料动力电池等相关知识。通过本项目的学习，应该对这些电池的结构组成、工作原理、性能特点及应用场景有深入的认识。任务描述知识目标

1、熟悉锂离子电池的构成。2、能叙述锂离子电池的工作原理。3、熟悉几种常用的锂离子电池及其性能特点。能力目标1、能对比不同种类锂离子电池性能的优、缺点并说出其应用领域。2、会对常用锂离子电池作简单的性能测试。素质目标1、发展学生自主学习、搜集信息、制定计划的能力。2、发展学生类比创新思维及民族自豪感。任务引入锂离子电池是1992年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池，是目前世界上最新一代的充电电池。与其他蓄电池相比，锂离子电池具有电压高，比能量高，充放电寿命长，无记忆效应、无污染、快速充电、自放电率低、工作温度范围宽和安全可靠等优势，它已成为未来电动汽车较为理想的动力电池。锂离子电池的结构01PARTONE一、锂离子电池的结构1、正极物料锂离子电池的正极物料必须有能够接纳锂离子的位置和扩散路径，目前应用性能较好的正极物料是具有高插入电位的层状结构的过渡金属氧化物和锂的化合物，如LixCo02、LixNi02及尖晶石结构的LiMn204等，这些正极物料的插锂电位都可以达到4V以上。目前，常用的正极物料为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元锂（镍钴锰或镍钴铝）等，物料的主要结构有层状化合物、尖晶石型结构、橄榄石型结构等。2、负极物料负极物料是加强锂离子电池容量及循环寿命的重要因素，按成分划分可分为碳物料和非碳物料，目前常用的负极物料相当于是碳物料与锂离子结合形成的锂碳层间混合物LixC6。作为锂离子电池负极物料，应满足以下要求：一、锂离子电池的结构在嵌入反应中电位低，从而使电池的输出电压高；锂能够尽可能多地在主体物料中可逆的脱嵌，比容量值大；壹贰一、锂离子电池的结构在锂的脱嵌过程中，主体结构没有或很少发生变化，以确保良好的循环性能；氧化还原电位随插锂数目的变化应尽可能的少，这样电池的电压不会发生显著变化，可以保持较平稳的充放电；插入化合物应有较好的电子电导率和离子电导率，这样可以降低极化并能进行大电池充放电；（6）具有良好的表面结构，能够与液体电解质形成良好的固体电解质界面膜；（7）锂离子在主体物料有较大的扩散系数，便于快速的充放电；（8）价格便宜，资源丰富，对工况无污染。①碳物料

石墨是目前锂离子电池最常用的负极物料。嵌锂石墨属离子型层间化合物，理论容量为372mA·h/g，锂的嵌入与脱嵌反应发生在0～0.25V之间，具有很好的电压平台。一、锂离子电池的结构一、锂离子电池的结构碳纳米管是最典型的碳纳米结构，其电学性能优异，机械强度高，化学稳定好，比表面积大，活化比表面大。石墨烯又称“单层石墨片”，由于其具有优异的物理、化学、力学性能，极其适合用作锂离子电池负极物料，但目前还存在制备工法和造价的问题。介孔碳物料孔径在2到50纳米之间，介于微孔与大孔之间，是一种具有巨大表面积和三维孔道结构的新型物料，相对于传统的石墨碳物料具有更高的容量。②非碳物料

硅具有4200mAh/g的超高理论嵌锂容量，是一类有发展前景的负极物料。然而，单质硅的首次不可逆容量特别高，循环性能差，目前主要采用碳与硅结合形成的C-Si复合物料，使负极物料同时具有高容量、稳定性好和安全等突出优势。制备优良C-Si复合物料的关键有两点：一是硅需要均匀地分布在碳基体中，二是硅的含量要适中，这方面的研究工作正在取得进展。一、锂离子电池的结构一、锂离子电池的结构3、电解液其电解液一般采用溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6的有机溶液，在一定条件下、按一定比例配制而成，是锂离子电池获得高电压、高性能等优势的保证。锂离子电池主要利用的电解液有高氯酸锂、六氟磷酸锂等。但用高氯酸锂制成的电池低温效果不好，有爆炸的风险，现已很少利用。而用含氟锂盐制成的电池性能好，无爆炸风险，适用性强，将来废弃电池的处理工作相对简单，对生态工况友好，因此该类电解液的市场前景十分广泛。4、隔膜锂离子电池的隔膜采用高分子隔膜，要求离子透过度大；机械性强度适当；本身为绝缘体；不与电解液及电极发生反应。目前常用的物料有单层聚乙烯或者三层复合聚丙烯+聚乙烯+聚丙烯。一、锂离子电池的结构锂离子电池的工作原理02PARTTWO二、锂离子电池的工作原理锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物构成。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，此时负极处于富锂态，正极处于贫锂态；放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。锂离子电池的工作电压与构成电极的锂离子嵌入化合物本身及锂离子的浓度有关。因此，在充放电循环时，Li+分别在正负极上发生“嵌入一脱嵌”反应，Li+便在正负极之间来回移动，所以，人们又形象地把锂离子电池称为“摇椅电池”、“揺摆电池”或“运动健将”。锂离子电池在充放电过程中没有晶形变化，故具有较好的安全性和较长的充放电寿命。二、锂离子电池的工作原理锂离子电池类型03PARTONE锂离子电池按照正极物料可以分为三元锂电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池等多种种类，目前常用的是前两种。按形状一般分为圆柱形、方形、软包电池，也可以根据客户的需求进行形状的定制，如比亚迪于2020年3月29日发布了刀片电池，它其实就是磷酸铁锂电池的加强版，其电芯形状更加扁平、窄小（长边可以定制变化，单体最大稳定长度可以达到2100mm），但是厚度只有一个指头厚，因此形象化的取名“刀片”。

三、锂离子电池类型1.磷酸铁锂电池作为国产品牌比亚迪车型主打的高压电池之一，特别适用于需要频繁地充放电的插电式混合动力汽车，缺点是能量密度一般，但在日前，比亚迪公司研发的“刀片电池”就已处理了此项问题。2.钴酸锂电池该电池作为锂电池的鼻祖，最早应在特斯拉Roadster上，但由于其循环寿命和安全性都较低，事实证明其并不适用作为动力电池。为了弥补这个缺点，特斯拉运用了号称世界最强的电池管控体系，从而保证电池的稳定性。三、锂离子电池类型3.三元锂电池该电池是指正极物料利用镍钴锰酸（NCM）或者镍钴铝酸锂（NCA）的三元正极物料的锂电池，能量密度较高，但安全性较差，对于要求续航能力较高的纯电动汽车而言，前景很广。典型车型：特斯拉Model3采用的21700型三元锂电池（直径21mm、长度70mm），相比之前18650型三元锂电池，在能量密度、造价、轻量化方面都有所改良。三元锂电池的发展趋势是正极物料往高镍和NCA发展，负极转向硅碳。三、锂离子电池的类型三、锂离子电池类型4.锰酸锂电池AESC、东芝、LEJ、日立与LG等日韩电池企业将锰酸锂电池广泛应用于日、韩、欧美等多主流品牌的新能源汽车上，但锰酸锂电池能量密度较低、安全性也一般。5.钛酸锂电池钛酸锂既可以作为正极物料也可以作为负极物料，由于其多项优异的性能而受到重视开始于20世纪90年代后期，比较适合于城市公交车中利用。几种典型的锂电池性能对比如下：三、锂离子电池的类型锂离子电池的性能04PARTTWO四、锂离子电池的性能1、高能量密度与同等容量的镍镉或镍氢电池相比，锂离子电池的品质轻，其体积比能量是这两类电池的1.5~2.0倍。2、高电压锂离子电池利用高电负性的含元素锂的电极，使其端电压高达3.7V，这一电压是镍镉或镍氢电池电压的3倍。3、无污染，环保型不包含汞、铅、镉等有害元素，是真正意义上的绿色电池。4、循环寿命长寿命超过1000次以上。5、高负载能力锂离子电池可以大电流连续放电，从而使这种电池可被应用于摄像机、手提电脑等大能耗用电器上。6、自放电小。月自放电率仅为总容量5％～9％。7、无记忆效应。四、锂离子电池的性能8、安全性差锂离子电池在热冲击、过充、过放和短路等滥用情况下，其内部的活性物及电解液等组分间将发生化学、电化学反应，产生大量的热量与气体，使得电池内部压力一定程度可能导致电池着火，甚至爆炸。加强锂离子电池安全性的措施有：利用安全型锂离子电池电解质；加强电极物料热稳定性。由于利用优良的负极物料，克服了电池充电过程中锂枝晶的生长问题，同时采用其它的安全性措施，使得锂离子电池在利用过程中的安全性大大加强。四、锂离子电池的性能锂离子电池的应用05PARTTHREE随着移动电子装置的迅速发展和能源需求的不断增大，人们对锂离子电池的需求也越来越大。锂离子电池的高容量、适中的电压、广泛的来源以及其循环寿命长、造价低、性能好、对工况无污染等优势，决定了它不仅可以应用于移动通信器具，还成为电动汽车的动力电池。目前，锂离子电池广泛应用于纯电动汽车领域，成为纯电动汽车动力电池的主流，如比亚迪E6、特斯拉Model3、北汽EV200、雪佛兰畅巡等。五、锂离子电池的应用1、比亚迪E6该车型是目前国产电动汽车中续航里程最长的车型，搭载63kWh磷酸铁锂电池，续航里程300km，其磷酸铁锂电池芯的能量密度约为130Wh/kg。磷酸铁锂的优势在于稳定性和耐久性，e6在出租车运行中的实际表现足可以证明：从2010年开始先后在深圳投入运营的850台e6电动出租车累计总行驶里程近3亿公里，单车最高行驶里程超67万公里。2、特斯拉Model3该款纯电动汽车也采用了磷酸铁锂电池，纯电续航里程556km，慢充时间10小时,快充时间1小时,电池能量60kW•h。五、锂离子电池的