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鋰離子動力電池的工作原理、結構、特點及發展前景

2．1鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池的工作原理是：電池充電時，正極材料中的鋰脫出來，穿過隔膜進入到負極石墨中；電池放電時，鋰離子又從負極石墨中脫出來，穿過隔膜回到正極材料中。隨充放電的進行鋰離子不斷的從正極和負極中嵌入和脫出。

2.2聚合物鋰離子的結構

2.3鋰離子動力電池的特點及發展前景

（1）單體電池工作電壓高達3.7V，是鎳鎘電池,鎳氫電池的3倍，鉛酸電池的近2倍，這也是鋰電池比能量高的一個重要原因。因此組成相同電壓的動力電池組時，鋰電池使用的串聯數目會大大少于鉛酸電池和鎳氫電池。如果動力電池中單體電池數量越多，電池組中單體電池的一致性要求就越高，壽命就越不好做，在實際使用過程中電池組有問題分析后，一般是其中一、兩個單體電池出問題然后導致整組電池出現問題，因此不難理解為什么48V的鉛酸電池比36V的鉛酸電池反饋要高，從這個角度上講鋰電更適合動力電池的使用。例如36V的鋰電只需要10個單體，而36V鉛酸電池需要18個單體電池，即3只12V的電池組，而每只12V的鉛酸電池有六個單格即六個單體電池組成。

（2）重量輕，比能量大，高達150Wh/Kg,是鎳氫電池的2倍，鉛酸電池的4倍,因此重量是相同能量的鉛酸電池的三分之一到四分之一，從這個角度講鋰電消耗的資源就少，而且由于錳酸鋰電池中所用元素的儲量比較多，因此相對鉛酸、鎳氫電池可能會進一步漲價，鋰電池成本反而是進一步降低的。電動自行車用鋰離子電池重量為2.2-4公斤，鉛酸電池的重量為12-20公斤，鋰電重量約為鉛酸電池的四分之一到三分之一，比鉛酸電池輕約10公斤（36V，10Ah電池），電池重量減輕了70％,整車總重量至少減輕了20％。加上一般鋰電車都是簡易款的電動自行車，由于電池和整車輕，相同電壓、相同容量的電池行駛里程更長，普通的電動車重量在40公斤以上,而鋰電池電動自行車重量在7到26公斤之間。女士和老年人都可以輕易搬動,人力騎行也十分輕便，運動休閑兼得。

（3）體積小，高達到400Wh/L，體積是鉛酸電池的二分之一到三分之一。提供了更合理的結構和更美觀的外形的設計條件、設計空間和可能性?，F階段由于鉛酸電池體積、重量的限制，設計師們的設計思想受到極大約束，導致現階段的電動自行車在結構和外觀上“千車一面”、雷同相似、單調劃一。而鋰離子電池的使用，給設計師們提供了展示設計思想和設計風格的更大空間及條件。當然同時也導致電動自行車用鋰電池尺寸多種多樣，不利于鋰動力電池行業的發展。鋰動力電池行業也需要盡快制定電動自行車用鋰離子電池國家標準，加速在電動自行車領域鋰電對鉛酸電池的替代。當然目前鋰電池是在不斷發展過程中的不同材料、不同工藝電池的體積有很大的差別，如何統一也是一個難點。

二次電池的能量密度

（4）循環壽命長，循環次數可達1000次。以容量保持60%計，電池組100%充放電循環次數可以達到600次以上，使用年限可達3-5年,壽命約為鉛酸電池的兩到三倍。隨著技術的革新，設備的提高，電池的壽命會越來越長，性價比會越來越高。

（5）自放電率低，每月不到5%。

（6）允許工作溫度范圍寬，低溫性能好，鋰離子電池可在-20℃～+55℃之間工作，尤其適合低溫使用，而水溶液電池(比如鉛酸電池、鎳氫電池)在低溫時，由于電解液流動性變差會導致性能大大降低。

（7）無記憶效應，所以每次充電前不必像鎳鎘電池、鎳氫電池一樣需要放電，可以隨時隨地的進行充電。電池充放電深度，對電池的壽命影響不大，可以全充全放，我們循環測試就是全充全放的。

（8）特別適合用于動力電池，除了鋰離子電池電壓高之外，由于鋰離子動力電池組的保護板能夠對每一個單體電池進行高精度監測，低功耗智能管理，具有完善的過充電、過放電、溫度、過流、短路保護、鎖定自恢復功能以及可靠的均衡充電功能，大大的延長了電池的使用壽命。而其他類型電池（比如鉛酸電池）在使用過程中由于電池一致性、充電器等問題，易產生電池過充、過放等問題（由于成本等各方面的原因，鉛酸電池組內不能對每一個單體電池進行監測和保護）。

（9）無污染，鋰電池中不存在有毒物質，因此被稱為“綠色電池”，國家重點扶持。而鉛酸電池和鎘鎳電池由于存在有害物質鉛和鎘，國家必然會加強監管和治理（鉛酸電池出口退稅的取消，鉛資源稅的增加，鉛酸電動自行車出口的受限），相應企業的成本也會增加。雖然鋰電池沒有污染，但從資源節約的角度考慮，鋰電池的回收，回收中的安全性，回收的成本也都需要考慮。

（10）存在安全隱患；由于鋰電池比能量高，材料穩定性差，鋰電容易出現安全問題，目前世界上知名的手機和筆記本電腦電池（正極材料為鈷酸鋰和三元材料）生產企業，日本三洋、索尼等公司要求電池的爆噴率控制在40個ppb(十億分之一)以下，國內公司能達到ppm(百萬分之一)級的就已經不錯了，而動力電池的容量是手機電池容量的上百倍以上，因此對鋰電的安全性要求極高。雖然鈷酸鋰電池和三元材料的電池具有重量更輕，體積更小等優點，但它們是不適合作動力電池應用于電動車的。

(11)價格高；相同電壓和相同容量的鋰離子電池價格是鉛酸的3-4倍。隨著鋰離子動力電池市場的擴大，成本的降低，性能的提高，以及鉛酸電池價格的提高，兩、三年之后鋰離子動力電池的性價比是有可能超過鉛酸電池的。

電池類型

電壓

重量比能量

/Wh/kg

體積比能量

/Wh/L

循環壽命

/次

每月自放電率

有害物質

鉛酸電池

30-45

60-90

300-500

4-5%

鉛

鎘鎳電池

1.2

40-60

100-150

500-1000

20-30%

鎘

鎳氫電池

1.2

60-80

150-200

500-1000

30-35%

鋰離子電池

3.7

110-190

250-500

500-2000

<5%

鋰離子電池

鉛酸電池

鎳氫電池

錳酸鋰、三元材料、鈷酸鋰電池

磷酸亞鐵鋰電池

單體電池標稱電壓

3.7V

3.2V

1.2V

24V所需單體電池數

7串

（25.9V）

8串

(25.6V)

12串

一般用12V，10Ah的鉛酸電池串聯，而每只12V,10Ah的電池中有6個單格組成也就是由6節單體電池組成

20串

36V所需單體電池數

10串

(37V)

12串

(38.4V)

18串

30串

48V所需單體電池數

13串

(48.1V)

15串

(48V)

24串

40串

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鋰離子動力電池的工作原理、結構、特點

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