浅谈锂离子电池，简单分析锂离子电池的知识
来源：宝鄂实业
2019-02-28 14:59
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先要澄清一个概念，就是什么是锂电池和锂离子电池。是的，你没看错，这两种电池实际上指的不是同一个东东。锂电池，负极材料所使用的是金属锂，属于一次电池，也就是说放一次电就完了，不能再充电。而锂离子电池属于二次电池，可以反复充电，循环使用。当然现在大家说的锂电池基本上指的都是锂离子电池，因为说顺口了，“离子”两个字就被省略了。以前的纽扣电池、相机电池就是锂一次电池，但现在用得很少了，好像也就锂亚硫酰氯电池现在还有企业在生产。而我们所说的手机、笔记本电脑、相机等里面的“锂电池”，实际上指的是锂离子二次电池（Lithium-ion Secondary Battery）。
锂离子电池所使用的电解质分为几大类，包括有机液态电解质、聚合物电解质和无机固态电解质。最常见的也是唯一实现了大规模商用的就是有机液态电解质，这种电解质是由溶剂与溶质构成的有机溶液，其中溶质主要是六氟磷酸锂LiPF6，溶剂则为各种碳酸酯，当然出于实际应用的需要还会添加一些必要的添加剂。看到这里也许有人就该问了，既然电解质是液态的，那如果在两端施加压力，正负极不就碰到一起短路了吗？为了解决这个问题，在实际的锂离子电池中，正负极之间有一层聚合物隔离膜，隔开了正负极，所以就不怕被压了。当然这个隔离膜是多孔，这样电解质中的溶剂分子才能够自由的穿梭而过。现在很多厂商说他们生产的是所谓“聚合物锂电池”，其实就是使用了这种聚合物隔离膜的锂离子电池。据我所知，第一只商用锂离子电池就使用了这种聚合物隔离膜，所以这并不是个新鲜玩意，所谓的“聚合物锂电池”其实是个噱头而已。那什么才是真正的聚合物锂离子电池呢？按我的理解，应该是使用了聚合物电解质的锂离子电池。有机液态电解质虽然好，但是它最大的一个缺点就是不安全。近些年来所报道的各种锂离子电池燃烧、爆炸事故，多半都跟这个易燃的有机物电解质有关。所以研究人员就希望用更安全的电解质来代替它，比如聚合物电解或无机固态电解质。而遗憾的是，聚合物电解质和无机电解质虽然有人在研究，但一直都未实现商用化，因为有很多实际的问题还没有解决。当然现在有些厂商也开始尝试部分的使用新型电解质，但规模还不大，而且成本巨高，看来等我们真正的能用到聚合物或固态锂离子电池还有一段时间。
为什么研究者选择了锂而不是其他金属？嗯。。。理由也许有很多，但我认为最重要的一点是：锂离子它很“瘦”，说白了也就是它的离子半径很小。学过元素周期表的都知道，第一周期都是气体，不方便拿来做电池。第二周期中，金属只有锂和铍，而铍有毒，不方便使用。锂呢？又轻又小，而且对环境还友好，不用它用谁？
你说同族的碱金属元素？比如钠吧，地球上钠的丰度比锂可高多了，海水里面就有大量的钠存在，如果可以用钠做电池不是成本更低吗？我们学过化学的都知道，钠离子比锂离子多一个电子层，所以钠离子要“胖”一点。别看就胖了这么一点，钠离子的导体（一般是固态无机物）要在350℃下才能有效的传输钠离子，你能想象用个手机或者笔记本电脑，先把电池加热到350℃吗？或者你要开车的时候，先把车子加热到350℃？明显不现实也不安全嘛。当然不是说钠离子不能做成电池，实际上就有钠硫电池这种储能电池，日本的一家公司就做出了世界上第一个商用钠硫电池堆，当然不是用来给手机充电的，而是用来储存电能的。比如说，全天的用电情况是不同的，一般来说白天用电量高而晚上用电量低。而发电厂是24小时连续发电运作的，这样晚上发的电如果多余了不就白白浪费了吗？所以人们希望在用电低峰的时段把多余的电存起来，等到用电高峰时段再放出去，这样一来节约了能源，二来也缓解了用电高峰时段的紧张。钠硫电池等高温大型电堆就是在这种地方有它的用武之地。
纯电动汽车使用的大多是锂离子电池。混合动力因为对电池性能要求相对较低，所以为节约成本，所以有厂家使用技术相对较成熟的镍氢电池。铅酸电池在车上用作动力电池的就很少见了。
首先在这里我想说的是，在没有专业工具与相对安全的实验环境下，最好不要轻易拆卸锂离子电池，请自重！
在图2中我们看到的只是一个抽象的锂离子电池的原理模型，而实际我们所使用的锂离子电池是怎样的呢？许多没在锂离子电池工厂工作的过的人也许都不清楚锂离子电池内部到底长啥样，今天我就来给大家揭秘这个“神秘”的锂离子电池内部结构
首先我们拿到一个锂离子电池，从外观上来说大致可分为以下三类：硬壳电池、软包电池和圆柱型电池。硬壳电池指的是外包装壳为硬质材料，一般有钢壳、铝壳和塑（料）壳三种，如图5中所示。这种电池的优点就是外壳坚硬，不易破损，缺点是有可能发生爆炸。所以硬壳电池，尤其是容量大的硬壳电池都配有一个减压阀，当内部压力达到一定的时候会自动爆开减压，以防止电池爆炸。一些品牌的手机电池主要是硬壳电池，具体来说是铝壳电池，我们看到的手机电池是在铝壳外面加了一层包装膜和一个电路保护板，工业上叫“派克”Pack。
而软包电池顾名思义就是外包装为软质的铝塑包装膜等材料的电池（图6），这种电池的优点是适应性强，理论上可以设计成任何形状（不过一般是长方体）。而且软包电池在极端情况下只会燃烧而不会发生爆炸，安全性比硬壳电池好，它的缺点则是包装易破损。
圆柱型电池主要指的是18650型锂离子电池（图7），其中18是指圆柱面直径为18mm，而65是指圆柱高度为65mm，0指园柱形电池。这是一种标准电池，就像我们平常所说的5号、7号碱性电池一样，而首推它的是锂离子电池鼻祖—索尼公司。当年索尼也想像干电池一样，为锂离子电池定几个标准型，来同一全世界的标准。但由于客户需求的多样性以及锂离子电池可设计的灵活性，索尼所推的18650标准并没有完全得到大家的认同。你可以试想一下，如果锂离子电池都是18650型的，那苹果的iPad和iPhone怎么可能做得那么薄？所以现在越来越多的客户需求是倒向了灵活设计的各种软包电池。那么18650型电池主要用在哪里呢？就是我们的笔记本电脑。我们买电脑的时候，有一项参数就是电池是几芯的，比如说4芯电池，那就是整个电池组内含有4个18650单元，以此类推。
我们拿到一只软包锂离子电池，上面一般会有这个产品的编号喷码，这里我就在网上随便找一个图来做示范了（图8）。这个喷码的第一行一般是厂商名称，比如这个就是“LARGE”。后面的数字，103450是电池的型号。在锂离子电池行业中，电池型号的编制规则一般是电池的厚、宽、长寸，例如这个103450，就表示这个电池的厚宽长是10mm×34mm×50mm，这样的定义非常简单明了，几乎所有的锂离子电池厂都会按照这个规则来定型号。当然有些厂商的编号里会出现英文，那是因为在100mm以上时，为了保持每个维度两位数，令100mm为A，110mm为B，以此类推。例如某个电池型号为24B0C5，表示它的尺寸是2.4mm×110mm×125mm，注意厚度是灵活加小数点的，一般电池不可能达到24mm厚，所以这里表示的应该是2.4mm。后面的1000mAh是指这个电池的标称放电容量，这个容量是指把电池满充到制定的电压，然后放电只到规定的截止电压为止，所能放出的容量。钴酸锂型锂离子电池一般的最高充电电压为4.2V，有的厂商能做到4.3V甚至4.4V，锰酸锂的要更高一些，而磷酸铁锂型电池最高充电电压一般为3.6V（这也就是为什么磷酸铁锂电池的能量密度要相对低一些）；放电截止电压一般为3.0V，磷酸铁锂型电池一般为2.0V。有人就说了，如果我要充到更高会怎么样？首先，电极的结构会发生不可逆改变，也就是说下一次这些发生改变的地方就用不了了，容量也就下降了。其次，电解液能承受的电压范围也是有限的，如果你充到电压很高，电解液中的有机溶剂就会被氧化，生成各种气体，使电池有破裂和爆炸的危险。相对应的同样的道理也不能放到更低的电压。那么标在后面的这个3.7V应该怎么理解呢？从上面的解释我们可以知道，锂离子电池的放电并不是恒定的保持在某一个电压，而是随着放电深度的进行而不断的降低的。这个3.7V就是指放电区间的平均电压，或者可以理解为电压平台。也有另一种计算方法，就是拿放电到截止后所放出的能量（单位Wh）除以容量（单位Ah），这样就可以计算得出一个电压，就是这个平均电压3.7V
我们知道，电池的内部电荷的传导靠的是离子，对于锂离子电池来说就是锂离子，而在外部靠的是电子。绝大部分锂离子电池正负极材料都是电子的不良导体（但是可以传导锂离子），所以这就需要一个电子导体—在这里称为集流体和极耳形成外部电子回路。对于锂离子电池来说，正极集流体一般采用的是金属铝箔，采用铝极耳；而负极集流体采用金属铜箔，采用镍极耳。为什么要这样？首先因为它们都是金属，而且是电导率较高而成本较低的金属，所以使用它们对电子良好的传导性。然后，铝如果用在负极，在低电位下可能会发生锂镶嵌，对电池的容量有损；而铜作为正极集流体的话，在高电位下容易被氧化（铝会形成钝化膜），所以也不适合用于正极。当集流体确定了之后，电极物质（也就是我们所说的正负极活性材料）就会被涂覆到集流体表面，形成一层薄薄的活性物质层，中间再加上隔离膜防止正负极直接接触而造成短路。这样，锂离子电池的基本结构就确定了。那么现在请你试想一下，如果你是第一个设计锂离子电池的设计师，你会做怎样的设计，在有限的空间内发挥出最大的容量（也就是能量密度最高）？20世纪90年代的电池工程师们给出的答案是卷绕。将两面都涂覆有活性材料的正负极极片以及隔离膜通过一个卷针卷绕在一起，这样形成的卷芯，再通过压实后，会形成紧密的电芯结构，能够较好的利用空间（图9）。这样的卷芯在工业上叫做Jelly-Roll，也就是卷心蛋糕的意思。爱观察的同学也许已经发现了，卷芯结构中，负极活性物质总是比正极活性物质要多出来那么一点，这是锂离子电池设计的一个原则，叫做负极过量。试想如果负极活性物质当量比正极少，那么在充电时，当负极能容纳锂离子的位置已经被占满后，从正极过来的锂离子就会在负极表面形成锂沉淀析出，这样的后果有可能是极为严重的。一是析出的锂是不可再利用的，也就是“回不去了”，不可能再回到正极材料那一边，所以整个电池的容量就少了；二是析出的锂有可能会形成锂枝晶（你可以理解为毛刺），有可能刺破隔离膜而导致短路。所以锂离子电池的设计原则是正负极按照负极比正极多来设计的。同时还要保证负极活性物质能够“盖住”所对应的正极活性物质，这样过来的锂离子才不至于会沉积到铜箔上去。如果你了解了这一点，肯定会自然而然的想到，隔离膜要比负极还要“大”，要“包住”负极，这样才不会导致短路。所以锂离子电池卷绕设计的原则是：隔离膜包负极，负极包正极，这样保证了电池的安全性。
