关于锂离子电池化学解析，制作工艺，使用和维护原理详解！

和所有化学电池一样，锂离子电池也由三个部分组成：正极、负极和电解质。电极材料都是锂离子可以嵌入(插入)/脱嵌(脱插)的。

正极

正极材料：如上文所述，可选的正极材料很多，主流产品多采用锂铁磷酸盐。不同的正极材料对照：

正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。充电时：LiFePO4→ Li1-xFePO4 + xLi + xe 放电时：Li1-xFePO4+ xLi + xe →LiFePO4

负极

负极材料：多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。 负极反应：充电时锂离子脱插，放电时锂离子插入。放电时：xLi + xe + 6C →LixC6 充电时：LixC6 → xLi + xe + 6C

大体分为以下几种：

第一种是碳负极材料：实际用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料，如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。

第二种是锡基负极材料：锡基负极材料可分为锡的氧化物和锡基复合氧化物两种。氧化物是指各种价态金属锡的氧化物。没有商业化产品。

第三种是含锂过渡金属氮化物负极材料，没有商业化产品。

第四种是合金类负极材料：包括锡基合金、硅基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金和其它合金 ，没有商业化产品。

第五种是纳米级负极材料：纳米碳管、纳米合金材料。

第六种纳米材料是纳米氧化物材料：根据2009年锂电池新能源行业的市场发展最新动向，诸多公司已经开始使用纳米氧化钛和纳米氧化硅添加在以前传统的石墨，锡氧化物，纳米碳管里面，极大地提高锂电池的充放电量和充放电次数。

电解质溶液

溶质：常采用锂盐，如高氯酸锂(LiClO4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)。溶剂：由于电池的工作电压远高于水的分解电压，因此锂离子电池常采用有机溶剂，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有机溶剂常常在充电时破坏石墨的结构，导致其剥脱，并在其表面形成固体电解质膜(solid electrolyte interphase，SEI)导致电极钝化。有机溶剂还带来易燃、易爆等安全性问题。

导电涂层

电池涂碳铝箔(导电涂层）

涂碳铝箔在锂离子电池应用中的优势

1、抑制电池极化，减少热效应，提高倍率性能；

2、降低电池内阻，并明显降低了循环过程的动态内阻增幅；

3、提高一致性，增加电池的循环寿命；

4、提高活性物质与集流体的粘附力，降低极片制造成本；

5、保护集流体不被电解液腐蚀；

6、改善磷酸铁锂、钛酸锂材料的加工性能。

导电涂层

利用功能涂层对电池导电基材进行表面处理是一项突破性的技术创新，覆碳铝箔/铜箔就是将分散好的纳米导电石墨和碳包覆粒，均匀、细腻地涂覆在铝箔/铜箔上。它能提供极佳的静态导电性能，收集活性物质的微电流，从而可以大幅度降低正/负极材料和集流之间的接触电阻，并能提高两者之间的附着能力，可减少粘结剂的使用量，进而使电池的整体性能产生显著的提升。 涂层分水性（水剂体系）和油性（有机溶剂体系）两种类型。

性能差异

涂碳铝箔/铜箔的性能优势

1.显著提高电池组使用一致性，大幅降低电池组成本。如：

明显降低电芯动态内阻增幅 ；
　　提高电池组的压差一致性 ；
　　延长电池组寿命 ；
　　大幅降低电池组成本。

2.提高活性材料和集流体的粘接附着力，降低极片制造成本。如：

改善使用水性体系的正极材料和集电极的附着力；
　　改善纳米级或亚微米级的正极材料和集电极的附着力；
　　改善钛酸锂或其他高容量负极材料和集电极的附着力；
　　提高极片制成合格率,降低极片制造成本。

涂碳铝箔与光箔的电池极片粘附力测试图

使用涂碳铝箔后极片粘附力由原来10gf提高到60gf（用3M胶带或百格刀法），粘附力显著提高。

3.减小极化，提高倍率和克容量，提升电池性能。如：

部分降低活性材料中粘接剂的比例，提高克容量；
　　改善活性物质和集流体之间的电接触；
　　减少极化，提高功率性能。

不同铝箔的电池倍率性能图

其中C-AL为涂碳铝箔，E-AL为蚀刻铝箔，U-AL为光铝箔

4.保护集流体，延长电池使用寿命。如：

防止集流极腐蚀、氧化；
　　提高集流极表面张力，增强集流极的易涂覆性能；

　　可替代成本较高的蚀刻箔或用更薄的箔材替代原有的标准箔材。

不同铝箔的电池循环曲线图（200周）

其中（1）为光铝箔，（2）为蚀刻铝箔，（3）为涂碳铝箔

1、制浆：用专门的溶剂和粘结剂分别与粉末状的正负极活性物质混合，经搅拌均匀后，制成浆状的正负极物质。

2、涂膜：通过自动涂布机将正负极浆料分别均匀地涂覆在金属箔表面，经自动烘干后自动剪切制成正负极极片。

3、装配：按正极片—隔膜—负极片—隔膜自上而下的顺序经卷绕注入电解液、封口、正负极耳焊接等工艺过程，即完成电池的装配过程，制成成品电池。

4、化成：将成品电池放置测试柜进行充放电测试，筛选出合格的成品电池，待出厂   。

避免在严酷条件下使用，如：高温、高湿度、夏日阳光下长时间暴晒等，避免将电池投入火中。

拆电池时，应确保用电器具处于电源关闭状态；使用温度应保持在－20~50℃之间。

避免将电池长时间“存放”在停止使用的用电器具中。

使用方法

1、如何为新电池充电,

在使用锂电池中应注意的是，电池放置一段时间后则进入休眠状态，此时容量低于正常值，使用时间亦随之缩短。但锂电池很容易激活，只要经过3—5次正常的充放电循环就可激活电池，恢复正常容量。由于锂电池本身的特性，决定了它几乎没有记忆效应。因此用户手机中的新锂电池在激活过程中，是不需要特别的方法和设备的。

对于锂电池的“激活”问题，众多的说法是：充电时间一定要超过12小时，反复做三次，以便激活电池。这种“前三次充电要充12小时以上”的说法，明显是从镍电池（如镍镉和镍氢）延续下来的说法。所以这种说法，可以说一开始就是误传。锂电池和镍电池的充放电特性有非常大的区别，而且可以非常明确的告诉大家，我所查阅过的所有严肃的正式技术资料都强调过充和过放电会对锂电池、特别是液体锂离子电池造成巨大的伤害。因而充电最好按照标准时间和标准方法充电，特别是不要进行超过12个小时的超长充电（充电器显示充满即可）。

此外，锂电池或充电器在电池充满后都会自动停充，并不存在镍电充电器所谓的持续10几小时的“涓流”充电。也就是说，如果你的锂电池在充满后，放在充电器上也是白充。而我们谁都无法保证电池的充放电保护电路的特性永不变化和质量的万无一失，所以你的电池将长期处在危险的边缘徘徊。这也是我们反对长充电的另一个理由。

此外，不可忽视的另外一个方面就是锂电池同样也不适合过放电，过放电对锂电池同样也很不利。

2．正常使用中应该何时开始充电

经常可以见到这种说法，因为充放电的次数是有限的，所以应该将手机电池的电尽可能用光再充电，其实锂电池的寿命与这无关。下面可以举例一个关于锂离子电池充放电循环的实验表，关于循环寿命的数据列出如下：

循环寿命(50%DOD):>1000次

循环寿命 (100%DOD):>500次

其中DOD是放电深度的英文缩写。从表中可见，可充电次数和放电深度有关，10%DOD时的循环寿命要比100%DOD的要长很多。当然如果折合到实际充电的相对总容量：10%*1000=100，100%*200=200，后者的完全充放电还是要比较好一些，但前面网友的那个说法要做一些修正：在正常情况下，你应该有保留地按照电池剩余电量用完再充的原则充电，但假如你的电池在你预计第2天不可能坚持整个白天的时候，就应该及时开始充电，当然你如果愿意背着充电器到办公室又当别论。

电池剩余电量用完再充的原则并不是要你走向极端。和长充电一样流传甚广的一个说法，就是“尽量把电池的电量用完”。这种做法其实只是镍电池上的做法，目的是避免记忆效应发生，不幸的是它也在锂电池上流传。曾经有人因为手机电池电量过低的警告出现后，仍然不充电继续使用一直用到自动关机的例子。结果这个例子中的手机在后来的充电及开机中均无反应，不得不送客服检修。这其实就是由于电池因过度放电而导致电压过低，以至于不具备正常的充电和开机条件造成的。

手机锂离子电池不要充得太满也不要用到没电，电池没用完电就充电，不会对电池造成伤害，充电以2-3小时以内为宜，不一定非要充满。但应该每隔3--4个月左右，对锂电池进行1--2次完全的充满电（正常充电时间）和放完电。

长期不用的锂电池，应该存放在阴凉偏干燥的地方，以半电状态（满电电量的70--80%，假如你的手机满电时显示4格，那么3格即可）最好，满电存放有危险且电池会有损害，无电存放电池会被破坏。每隔3--6个月，检查一次是否要补充电。

锂离子电池按电解液分可以分成液态锂离子电池和聚合物锂离子电池，聚合物锂离子电池的电解液是胶体，不会流动，所以不存在泄漏问题，更加安全。

锂电池的保存

锂原电池自放电很低，可保存3年之久，在冷藏的条件下保存，效果会更好。将锂原电池存放在低温的地方，不失是一个好方法。

锂离子电池在20℃下可储存半年以上，这是由于它的自放电率很低，而且大部分容量可以恢复。

锂电池存在的自放电现象，如果电池电压在3.6V以下长时间保存，会导致电池过放电而破坏电池内部结构，减少电池寿命。因此长期保存的锂电池应当每3~6个月补电一次，即充电到电压为3.8~3.9V（锂电池最佳储存电压为3.85V左右）为宜，不宜充满。

锂电池的应用温度范围很广，在北方的冬天室外，仍然可以使用，但容量会降低很多，如果回到室温的条件下，容量又可以恢复。

注意事项

锂原电池：

与锂离子电池不同，它不能充电，充电十分危险。其他注意事项，与锂离子电池相当。

保养须知

充电时不得高于最大充电电压，放电时不得低于最小工作电压。

无论任何时间锂离子电池都必须保持最小工作电压以上， 低电压的过放或自放电反应会导致锂离子活性物质分解破坏，并不一定可以还原。

锂离子电池任何形式的过充都会导致电池性能受到严重破坏，甚至爆炸。锂离子电池在充电过程必需避免对电池产生过充。

不要经常深放电、深充电。不过，每经历约30个充电周期后，电量检测芯片会自动执行一次深放电、深充电，以准确评估电池的状态。

避免高温，轻则缩短寿命，严重者可引发爆炸。如有条件可储存于冰箱。笔记本电脑如果正在使用交流电，请拔除锂离子电池条，以免受到电脑产热的影响。

避免冻结，但多数锂离子电池电解质溶液的冰点在-40℃，不容易冻结。

如果长期不用，请以40%～60%的充电量储存。电量过低时，可能因自放电导致过放。

由于锂离子电池不使用时也会自然衰老，因此，购买时应根据实际需要量选购，不宜过多购入   。

掌握锂离子电池的使用和维护技术，可以延长锂离子电池的使用寿命和保持电池的优越性能。

锂离子电池放电

放电终止电压：锂离子电池的额定电压为3.6V（有的产品为3.7V），终止放电电压为2.5-2.75V（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）。电池的放电终止电压不应小于2.5（n是串联的电池数），低于终止放电电压继续放电称为过放，过放会使电池寿命缩短，严重时会导致电池失效。电池不用时，应将电池充电到保有20%的电容量，再进行防潮包装保存，3～6个月检测电压1次，并进行充电，保证电池电压在安全电压值（3V以上）范围内。
　　放电电流：锂离子电池不适合用作大电流放电，过大电流放电时内部会产生较高的温度而损耗能量，减少放电时间，若电池中无保护元件还会产生过热而损坏电池。因此电池生产工厂给出最大放电电流，在使用中不能超过产品特性表中给出的最大放电电流。
　　放电温度：不同温度下的放电曲线是不同的。在不同温度下，锂离子电池的放电电压及放电时间也不同，电池应在-20℃到+60℃温度范围内进行放电（工作）。

锂离子电池充电

在使用锂电池中应注意的是，电池放置一段时间后则进入休眠状态，此时容量低于正常值，使用时间亦随之缩短。但锂电池很容易激活，只要经过3—5次正常的充放电循环就可激活电池，恢复正常容量。由于锂电池本身的特性，决定了它几乎没有记忆效应。因此用户手机中的新锂电池在激活过程中，是不需要特别的方法和设备的。

对锂离子电池充电，应使用专用的锂离子电池充电器。锂离子电池充电采用 “恒流/恒压”方式，先恒流充电，到接近终止电压时改为恒压充电。如一种800mA.h容量的电池，其终止充电电压为4.2V。电池以800mA（充电率为1C）恒流充电，开始时电池电压以较大的斜率上升，当电池电压接近4.2V时，改成4.2V恒压充电，锂电池电流渐降，电压变化不大，到充电电流降为1/10C（约80mA）时，认为接近充满，可以终止充电（有的充电器到10C后启动定时器，过一定时间后结束充电）。不能用充镍镉电池的充电器（充三节镍镉电池的）来充锂离子电池（虽然额定电压一样，都是3.6V），由于充电方式不同，容易造成过充。
　　充电电压：充满电时的终止充电电压与电池负极材料有关，焦炭为4.1V，而石墨为4.2V，一般称为4.1V锂离子电池及4.2V锂离子电池。在充电时应注意4.1V的电池不能用4.2V的充电器充电，否则会有过充危险（4.1V与4.2V的充电器所用的充电器IC不同）。锂离子电池对充电的要求是很高的，它要求精密的充电电路以保证充电的安全。终止充电电压精度允差为额定值的±1%（例如，充4.2V的锂离子电池，其允差为±0.042V），过压充电会造成锂离子电池永久性损坏。
　　充电电流：锂离子电池充电电流应根据电池生产厂的建议，并要求有限流电路以免发生过流（过热）。一般常用的充电率为0.25～1C，推荐的充电电流为0.5C（C是电池的容量，如标称容量1500mA.h的电池，充电电流0.5*1500=750mA）。在大电流充电时往往要检测电池温度，以防止因过热而损坏电池或产生爆炸。
　　充电温度：对电池充电时，其环境温度不能超过产品特性表中所列的温度范围。电池应在0～45℃温度范围内进行充电，远离高温（高于60℃）和低温（-20℃）环境。
　　锂离子电池在充电或放电过程中若发生过充、过放或过流时，会造成电池的损坏或降低使用寿命。为此开发出各种保护元件及由保护IC组成的保护电路，它安装在电池或电池组中，使电池获得完善的保护。但是在使用中应尽可能防止过充电及过放电。例如，手机电池在充电过程中，快充满时应及时与充电器进行分离。放电深度浅时，循环寿命会明显提高。因此在使用时，不要等到手机上出现电池不足的信号时才去充电，更不要在出现此信号时继续使用，尽管出现此信号时还有一部分残余容量可供使用。

贮存和运输

锂离子电池可贮存在温度为-5～35℃，相对湿度不大于75%的清洁、干燥、通风的环境中，应避免与腐蚀性物质接触，远离火源及热源，不要置于阳光直射的地方，不能随意拆卸电池。电池若长期贮存，电池电量应保持标称容量的30%～50%，推荐贮存的电池每6个月充电一次。
　　电池应包装成箱进行运输，在运输过程中应防止剧烈振动、撞击或挤压，防止日晒雨淋，可使用汽车、火车、轮船、飞机等交通工具进行运输。

短路

关于锂离子电池的安全问题，请各位朋友重视。锂离子电池在充电过程中很容易发生短路情况。

虽然大多数锂离子电池都带有防短路的保护电路，还有防爆线。但很多情况下，这个电路在各种情况下，不一定会起作用。防爆线能起的作用也很有限。

过充

所有的锂离子电池，包括聚合物锂离子电池、锂铁电池等等，都非常害怕过充。

锂离子电池如果充电时间过长，发生的爆炸的可能性就会加大。

锂的化学性质非常活泼，很容易燃烧，当电池充放电时，电池内部持续升温，活化过程中所产生的气体膨胀，使电池内压加大。压力达到一定程度，如外壳有伤痕，即会破裂，引起漏液、起火，甚至爆炸。

所以，大家在使用锂离子电池的时候要非常注意安全。

充电

充电是电池重复使用的重要步骤，锂离子电池的充电过程分为两个阶段：恒流快充阶段和恒压电流递减阶段。恒流快充阶段，电池电压逐步升高到电池的标准电压，随后在控制芯片下转入恒压阶段，电压不再升高以确保不会过充，电流则随着电池电量的上升逐步减弱到设定的值，而最终完成充电。电量统计芯片通过记录放电曲线可以抽样计算出电池的电量。锂离子电池在多次使用后，放电曲线会发生改变，锂离子电池虽然不存在记忆效应，但是充、放电不当会严重影响电池性能。

充电注意事项

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。

充电量等于充电电流乘以充电时间，在充电控制电压一定的情况下，充电电流越大（充电速度越快），充电电量越小。电池充电速度过快和终止电压控制点不当，同样会造成电池容量不足，实际是电池的部分电极活性物质没有得到充分反应就停止充电，这种充电不足的现象随着循环次数的增加而加剧。

放电

第一次充放电，如果时间能较长(一般3--4小时足够)，那么可以使电极尽可能多的达到最高氧化态（充足电），放电（或使用）时则强制放到规定的电压、或直至自动关机，如此能激活电池使用容量。

但在锂离子电池的平常使用中，不需要如此操作，可以随时根据需要充电，充电时既不必要一定充满电为止，也不需要先放电。象首次充放电那样的操作，只需要每隔3--4个月进行连续的1--2次即可。

内短路保护

锂离子电池由于材料体系及制成工艺等诸多方面因素的影响，存在发生内短路的风险。虽然锂离子电池在出厂时都已经经过严格的老化及自放电筛选，但由于过程失效及其他不可预知的使用因素影响，依然存在一定的失效概率导致使用过程中出现 内短路。对于动力电池，其电池组中锂离子电池多达几百节甚至上万节，大大放大了电池组发生内短的概率。由于动力电池组内部所蕴含的能量极大，内短路的发生极易诱发恶性事故，导致人员伤亡和财产损失。

对于并联的 锂离子动力电池模组，当其中一节或几节电池发生内短时，电池模组中的其他电池会对其放电，电池组的能量会使内短电池温度急速升高，极易诱发热失控，最终导致电池起火爆炸。如示意图1所示

常规的温度探测在电池升温时，虽然可以告知 IC切断主回路，但无法阻止并联电池模组内部的持续放电，并且由于主回路切断，电池模组所有的能量都集中于内短路电池，反而增加了热

失控发生的几率。

理想的方案是，在发现某节电池发生内短而升温时，可以切断该节电池与模组中其他电池的连接回路。如图2所示，在单节电池上组装TE PPTC或者MHP-TA系列产品，当内短路发生时TE保护器件可以有效地阻断内短路电池与模组内其他电池的联系，防止恶性事故的发生。对于单体电池数量大的动力电池组，配组时对电池及器件内阻一致性要求较高，而MHP-TA由于其内部双金属结构，器件电阻的一致性非常好, 可以极大地满足对于电池内阻的要求。

锂离子动力电池的系统组成及实际路况复杂，被动器件的防护是必不可少的。