鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。最早出現(xiàn)的鋰電池來自于偉大的發(fā)明家愛迪生，使用以下反應(yīng)：Li+MnO2=LiMnO2，該反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)。由于鋰金屬的化學(xué)特性非常活躍，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對(duì)環(huán)境要求非常高。所以，鋰電池長期沒有得到應(yīng)用。而現(xiàn)在，鋰電池已經(jīng)成為了主流。

目前，鋰離子電池應(yīng)用于電動(dòng)自行車產(chǎn)品較為普遍，并解決了電動(dòng)自行車輕量化、美觀化的產(chǎn)品需求問題，但由于其應(yīng)用時(shí)間并不長，而動(dòng)力鋰電池技術(shù)也并未達(dá)到完善的程度，因此還存在眾多問題需要解決。以下，我們就來分析目前電動(dòng)自行車用鋰電池在技術(shù)層面的現(xiàn)狀。

一、鋰離子電池發(fā)展進(jìn)程

由于鋰金屬的化學(xué)特性非常活躍，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對(duì)環(huán)境要求非常高，所以鋰電池生產(chǎn)要在特殊的環(huán)境條件下進(jìn)行。而由于鋰電池的很多優(yōu)點(diǎn)，鋰電池被廣泛的應(yīng)用在電子儀表、數(shù)碼和家電產(chǎn)品上。但是，鋰電池多數(shù)是二次電池，也有一次性電池。少數(shù)二次電池的壽命和安全性比較差。

后來，日本索尼公司發(fā)明了以炭材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極的鋰電池，在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達(dá)到負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)(即我們使用電池的過程)，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動(dòng)回正極。

回正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。在Li-iond的充放電過程中，鋰離子處于從正極→負(fù)極→正極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。Li-ionBatteries就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象運(yùn)動(dòng)員一樣在搖椅來回奔跑。所以Li-ionBatteries又叫搖椅式電池。

隨著數(shù)碼產(chǎn)品如手機(jī)、筆記本電腦等產(chǎn)品的廣泛使用，鋰離子電池以優(yōu)異的性能在這類產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，并在近年逐步向其他產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。1998年，天津電源研究所開始商業(yè)化生產(chǎn)鋰離子電池。習(xí)慣上，人們把鋰離子電池也稱為鋰電池，現(xiàn)在鋰離子電池已經(jīng)成為了主流。

二、鋰離子電池的特性

鋰離子電池與其他類電池存在差別，有著其獨(dú)有的特性。

(一)高能量密度

鋰離子電池的重量是相同容量的鎳鎘或鎳氫電池的一半，體積是鎳鎘的20-30%，鎳氫的35-50%。

(二)高電壓

一個(gè)鋰離子電池單體的工作電壓為3.7V(平均值)，相當(dāng)于三個(gè)串聯(lián)的鎳鎘或鎳氫電池。

(三)無污染

鋰離子電池不含有諸如鎘、鉛、汞之類的有害金屬物質(zhì)。

(四)不含金屬鋰

鋰離子電池不含金屬鋰，因而不受飛機(jī)運(yùn)輸關(guān)于禁止在客機(jī)攜帶鋰電池等規(guī)定的限制。

(五)循環(huán)壽命高

在正常條件下，鋰離子電池的充放電周期可超過500次，磷酸亞鐵鋰(以下稱磷鐵)則可以達(dá)到2000次。

(六)無記憶效應(yīng)

記憶效應(yīng)是指鎳鎘電池在充放電循環(huán)過程中，電池的容量減少的現(xiàn)象。鋰離子電池不存在這種效應(yīng)。

(七)快速充電

使用額定電壓為4.2V的恒流恒壓充電器，可以使鋰離子電池在1.5--2.5個(gè)小時(shí)內(nèi)就充滿電;而新開發(fā)的磷鐵鋰電，已經(jīng)可以在35分鐘內(nèi)充滿電。

三、鋰離子電池在電動(dòng)自行車領(lǐng)域的應(yīng)用

目前在電動(dòng)自行車上應(yīng)用的大功率鋰離子動(dòng)力電池基本上都是由多只單體電池串聯(lián)、并聯(lián)而成的。在其應(yīng)用過程中，鋰動(dòng)力電池存在的問題主要是各個(gè)單體電池之間的離散性較大，從而影響到整個(gè)電池組的安全性和使用壽命。

因此，我們認(rèn)為理想的鋰動(dòng)力電池組管理應(yīng)該針對(duì)電池組的安全性和使用壽命。這種控制的要求是：不僅能夠管理和保護(hù)電池組中的每一單體電池，而且在放電時(shí)還要使每只電池的電壓保持均衡一致，如同很多杯水在同一個(gè)水平線平衡一致地往外流。在充電時(shí)要保證電池組中的所有電池在同一個(gè)電壓線上均衡一致地進(jìn)行充電，直至所有電池充滿為止，就如很多個(gè)杯子，盡管容量不一樣，但以相同的流量注水時(shí)，要保證每一只杯子溢水。

綜上所述，電動(dòng)自行車用鋰電池在使用過程中，要始終保持電池不過充、不過放、不發(fā)熱、壽命長，尤其是使用安全。這就要求電池組必須具有對(duì)每只單體電池充放電均衡及保護(hù)功能。

四、電動(dòng)自行車用鋰電池分類

電動(dòng)自行車用鋰電池大致可分為三大類：錳酸鋰電池、三元材料電池和磷酸鐵鋰電池。

錳酸鋰電池：解決錳酸鋰電池的高溫性能，必須對(duì)電池的正極材料、電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電解液配方進(jìn)行改良。在日本和韓國采用改性錳酸鋰，改性錳酸鋰電池在65℃存放一星期，容量只下降到99%。

三元材料電池：鈷、鎳、錳三元材料作為正極材料的鋰電池，它克服了錳酸鋰的高溫性能差的缺陷，又提高了電池的比能量。

磷酸鐵鋰電池：2002年以來，美國和加拿大開始研制磷酸鐵鋰電池，它成為一種新的具有巨大發(fā)展前途的動(dòng)力型鋰電池。超長壽命，在室溫下1C充放電循環(huán)達(dá)2000次。

磷酸鐵鋰電池的優(yōu)勢：安全性高。磷酸根化學(xué)鍵的結(jié)合力比較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好;環(huán)保且不含有任何重金屬;無毒(SGS認(rèn)證通過)，無污染;充電速度快，磷酸鐵鋰電池可大電流5～10C快速充放電;大電流放電性能好;可10～50C大電流高功率放電。

磷酸鐵鋰電池的缺點(diǎn)：低溫性能劣于錳酸鋰等其他正極材料。磷酸鐵鋰電池的單體電壓是3.2V。36V的電池組需要12個(gè)單體電池串聯(lián)。單體磷酸鐵鋰電池壽命目前超過2000次，但電池組的壽命可能只有500次。

五、電動(dòng)自行車用鋰電池的優(yōu)缺點(diǎn)

(一)電動(dòng)自行車用鋰電池的優(yōu)點(diǎn)

鋰電池的能量比鉛酸電池大一倍多，目前用鉛酸電池的電動(dòng)自行車充電一次可行駛50~70km，改用同重量的鋰電池可行駛100~150km，它的充放電次數(shù)也高，存在的問題是：價(jià)格較高，為鉛酸電池的6倍，每部車配套需1800~2000元。再則現(xiàn)有規(guī)格都是適用于手機(jī)、筆記本電腦的小型號(hào)，有待開發(fā)出10Ah以上的較大型號(hào)，這種蓄電池目前只能用于豪華型自行車或電動(dòng)摩托車，但是它的降價(jià)潛力較大，前景很好。

鋰電池電動(dòng)自行車具有的優(yōu)點(diǎn)是其壽命長、重量輕、體積小。有一種外形小巧的鋰電池電動(dòng)自行車，重量只有16公斤左右，電池只有一本書大小，才2.5公斤重，可以放在包里拎著走，還可以用來給電腦充電，而與之馬力相當(dāng)?shù)你U酸電池重量則在15公斤左右。不過，這種電動(dòng)車價(jià)格比較貴，要2800多元一輛。“這種車上市才一周，價(jià)格比較高，但銷量比預(yù)想的好，一周時(shí)間就賣出好幾輛。”綠源電動(dòng)車負(fù)責(zé)人張先生介紹，這種車采用了鋰電池，充電一次可跑30公里左右。捷安特、普利司通等品牌專賣店里也有鋰電池電動(dòng)車。“鋰電池電動(dòng)自行車的動(dòng)力性能和鉛酸電池差不多，充電6~8小時(shí)，根據(jù)電池容量不同可跑30~45公里，重量只有鉛酸電池的1/5左右。”捷安特的銷售人員稱，鋰電池電動(dòng)自行車最大的優(yōu)點(diǎn)是壽命長，一組電池可用4~5年，而鉛酸電池壽命只有2年左右。

(二)電動(dòng)自行車用鋰電池的缺點(diǎn)

鋰電池存在的缺點(diǎn)是價(jià)格偏高、市場份額僅4%。目前鋰電池電動(dòng)自行車的價(jià)格普遍比鉛酸電池電動(dòng)車高出幾百元到一千元，因此銷量不大。“兩者相差800多元，如果只差兩三百元我可能會(huì)考慮下。”正在選購電動(dòng)自行車的張女士最后還是買了傳統(tǒng)的鉛酸電池電動(dòng)車。

六、電動(dòng)自行車用鋰電池存在的問題及解決方案

鋰電池應(yīng)用于電動(dòng)自行車產(chǎn)品時(shí)間并不長，其技術(shù)也并未達(dá)到很高的水平，因此，還存在著多方面的技術(shù)問題，一定程度上制約著電動(dòng)自行車鋰電池行業(yè)的發(fā)展。

當(dāng)前，電動(dòng)自行車用鋰離子電池需要解決的問題主要是使用過程中的安全問題，怎樣解決安全問題成為今后電動(dòng)自行車用鋰電池發(fā)展的一個(gè)趨勢，在這里我們簡單介紹一下如何解決這一問題。

(一)過充

正常鋰電應(yīng)充電最高4.2伏，鐵鋰電池在此基礎(chǔ)上減0.5伏做上下限，充電高于4.3伏為過充。解決這一問題，需要精確測量電壓真值：采用科學(xué)的充電方式，充滿而不過充;合理的設(shè)置單節(jié)過充保護(hù)電壓點(diǎn)：如：4.2V±0.05V，確保不會(huì)過充而爆炸。

(二)過放

鋰電池放電最低3.2伏，放電低于3伏為過放，精確測量電量真值：采用科學(xué)、安全的放電方式，放完而不過放;合理的設(shè)置單節(jié)過放保護(hù)電壓點(diǎn)：如：3.20V±0.05V，確保不會(huì)過放而爆炸。

(三)電池溫度檢測

鋰電池溫度過高將會(huì)產(chǎn)生爆炸的可能，因此，需要監(jiān)控每節(jié)電池的溫度，確保不會(huì)因?yàn)殡姵販囟冗^高而產(chǎn)生爆炸。

(四)過流保護(hù)

鋰電池有個(gè)額定電流，不允許超過額定電流，否則會(huì)燒壞電池。因此，需要精準(zhǔn)測控充放電電流，并高效快速地采取過流保護(hù)措施，當(dāng)電流超過設(shè)定電流時(shí)候，避免短路、反接等事故發(fā)生。

(五)均衡

鋰離子電池單體電壓存在著偏差，若不進(jìn)行均衡控制，隨著充放電循環(huán)的增加，各單體電池電壓逐漸分化，使用壽命將大大縮減。當(dāng)對(duì)一組鋰離子電池充放電時(shí)，考慮到各個(gè)單體電池的不一致性，可采取均衡措施來確保安全性和穩(wěn)定性。

鋰?yán)与姵乇粡V泛應(yīng)用儲(chǔ)能電源系統(tǒng)，郵電通訊的不間斷電源，以及電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)汽車、特種裝備、特種航天等多個(gè)領(lǐng)域。

鋰電池在電動(dòng)自行車領(lǐng)域的應(yīng)用，雖然還未達(dá)到較成熟的程度，但目前良好的發(fā)展前景，以及鋰電池在電動(dòng)自行車產(chǎn)品上所表現(xiàn)出來的優(yōu)良特性，使鋰電自行車得到較為快速的發(fā)展。

此外，目前開發(fā)的大容量鋰離子電池已在電動(dòng)汽車中開始試用，預(yù)計(jì)將成為21世紀(jì)電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿﹄娫粗唬⒃谌嗽煨l(wèi)星、特種航天和儲(chǔ)能方面得到應(yīng)用。

隨著能源的緊缺和世界的環(huán)保方面的壓力。鋰電現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車行業(yè)，特別是磷酸鐵鋰材料電池的出現(xiàn)，更推動(dòng)了鋰電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步與突破。