三、 主要參數(shù)指標(biāo)
鋰離子電池具有能量密度高、轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)充放電延時(shí)、自放電率低、工作溫度范圍寬和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，因而成為電能的一個(gè)比較理想的載體，在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
一般而言，我們?cè)谑褂娩囯x子電池的時(shí)候，會(huì)關(guān)注一些技術(shù)指標(biāo)，作為衡量其性能“優(yōu)劣”的主要因素。那么，哪些指標(biāo)是我們需要在使用的時(shí)候，應(yīng)該予以特別關(guān)注呢？
1. 容量
這是大家比較關(guān)心的一個(gè)參數(shù)。智能手機(jī)早已普及，我們?cè)谑褂弥悄苁謾C(jī)的時(shí)候，最為擔(dān)心的就是電量不足，需要頻繁充電，有時(shí)還找不到地方充電。早期的功能機(jī)，正常使用情況下，滿(mǎn)充的電池可以待機(jī)3~5天，一些產(chǎn)品甚至可以待機(jī)7天以上?？墒堑搅酥悄軝C(jī)時(shí)代，待機(jī)時(shí)間就顯得慘不忍睹了。這里面很重要的一個(gè)原因，就是手機(jī)的功耗越來(lái)越大，而電池的容量卻沒(méi)有同比例的增長(zhǎng)。
容量的單位一般為“mAh”(毫安時(shí))或“Ah”(安時(shí))，在使用時(shí)又有額定容量和實(shí)際容量的區(qū)別。額定容量是指滿(mǎn)充的鋰離子電池在實(shí)驗(yàn)室條件下(比較理想的溫濕度環(huán)境)，以某一特定的放電倍率(C-rate)放電到截止電壓時(shí)，所能夠提供的總的電量。實(shí)際容量一般都不等于額定容量，它與溫度、濕度、充放電倍率等直接相關(guān)。一般情況下，實(shí)際容量比額定容量偏小一些，有時(shí)甚至比額定容量小很多，比如北方的冬季，如果在室外使用手機(jī)，電池容量會(huì)迅速下降。
2. 能量密度
能量密度，指的是單位體積或單位重量的電池，能夠存儲(chǔ)和釋放的電量，其單位有兩種：Wh/kg，Wh/L，分別代表重量比能量和體積比能量。這里的電量，是上面提到的容量(Ah)與工作電壓(V)的積分。在應(yīng)用的時(shí)候，能量密度這個(gè)指標(biāo)比容量更具有指導(dǎo)性意義。
基于當(dāng)前的鋰離子電池技術(shù)，能夠達(dá)到的能量密度水平大約在100~200Wh/kg，這一數(shù)值還是比較低的，在許多場(chǎng)合都成為鋰離子電池應(yīng)用的瓶頸。這一問(wèn)題同樣出現(xiàn)在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，在體積和重量都受到嚴(yán)格限制的情況下，電池的能量密度決定了電動(dòng)汽車(chē)的單次最大行駛里程，于是出現(xiàn)了“里程焦慮癥”這一特有的名詞。如果要使得電動(dòng)汽車(chē)的單次行駛里程達(dá)到500公里(與傳統(tǒng)燃油車(chē)相當(dāng))，電池單體的能量密度必須達(dá)到300Wh/kg以上。
鋰離子電池能量密度的提升，是一個(gè)緩慢的過(guò)程，遠(yuǎn)低于集成電路產(chǎn)業(yè)的摩爾定律，這就造成了電子產(chǎn)品的性能提升與電池的能量密度提升之間存在一個(gè)剪刀差，并且隨著時(shí)間不斷擴(kuò)大。
3. 充放電倍率
這個(gè)指標(biāo)會(huì)影響鋰離子電池工作時(shí)的連續(xù)電流和峰值電流，其單位一般為C(C-rate的簡(jiǎn)寫(xiě))，如1/10C，1/5C，1C，5C，10C等。舉個(gè)例子來(lái)闡述倍率指標(biāo)的具體含義，某電池的額定容量是10Ah，如果其額定充放電倍率是1C，那么就意味著這個(gè)型號(hào)的電池，可以以10A的電流，進(jìn)行反復(fù)的充放電，一直到充電或放電的截止電壓。如果其最大放電倍率是10C@10s，最大充電倍率5C@10s，那么該電池可以以100A的電流進(jìn)行持續(xù)10秒的放電，以50A的電流進(jìn)行持續(xù)10秒的充電。
充放電倍率對(duì)應(yīng)的電流值乘以工作電壓，就可以得出鋰離子電池的連續(xù)功率和峰值功率指標(biāo)。充放電倍率指標(biāo)定義的越詳細(xì)，對(duì)于使用時(shí)的指導(dǎo)意義越大。尤其是作為電動(dòng)交通工具動(dòng)力源的鋰離子電池，需要規(guī)定不同溫度條件下的連續(xù)和脈沖倍率指標(biāo)，以確保鋰離子電池使用在合理的范圍之內(nèi)。
4. 電壓
鋰離子電池的電壓，有開(kāi)路電壓、工作電壓、充電截止電壓、放電截止電壓等一些參數(shù)，本文不再分開(kāi)一一論述，而是集中做個(gè)解釋。
開(kāi)路電壓，顧名思義，就是電池外部不接任何負(fù)載或電源，測(cè)量電池正負(fù)極之間的電位差，此即為電池的開(kāi)路電壓。
工作電壓，就是電池外接負(fù)載或電源，處在工作狀態(tài)，有電流流過(guò)時(shí)，測(cè)量所得的正負(fù)極之間的電位差。一般來(lái)說(shuō)，由于電池內(nèi)阻的存在，放電狀態(tài)時(shí)的工作電壓低于開(kāi)路電壓，充電時(shí)的工作電壓高于開(kāi)路電壓。
充/放電截止電壓，是指電池允許達(dá)到的最高和最低工作電壓。超過(guò)了這一限值，會(huì)對(duì)電池產(chǎn)生一些不可逆的損害，導(dǎo)致電池性能的降低，嚴(yán)重時(shí)甚至造成起火、爆炸等安全事故。
電池的開(kāi)路電壓和工作電壓，與電池的容量存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
5. 壽命
鋰離子電池的壽命會(huì)隨著使用和存儲(chǔ)而逐步衰減，并且會(huì)有較為明顯的表現(xiàn)。仍然以智能手機(jī)為例，使用過(guò)一段時(shí)間的手機(jī)，可以很明顯的感覺(jué)到手機(jī)電池“不耐用”了，剛開(kāi)始可能一天只充一次，后面可能需要一天充電兩次，這就是電池壽命不斷衰減的體現(xiàn)。
鋰離子電池的壽命分為循環(huán)壽命和日歷壽命兩個(gè)參數(shù)。循環(huán)壽命一般以次數(shù)為單位，表征電池可以循環(huán)充放電的次數(shù)。當(dāng)然這里也是有條件的，一般是在理想的溫濕度下，以額定的充放電電流進(jìn)行深度的充放電(100% DOD或者80%DOD)，計(jì)算電池容量衰減到額定容量的80%時(shí)，所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)。
日歷壽命的定義則比較復(fù)雜，電池不可能一直在充放電，有存儲(chǔ)和擱置，也不可能一直處于理想環(huán)境條件，會(huì)經(jīng)歷各種溫濕度條件，充放電的倍率也是時(shí)刻在變化的，所以實(shí)際的使用壽命就需要模擬和測(cè)試。簡(jiǎn)單的說(shuō)，日歷壽命就是電池在使用環(huán)境條件下，經(jīng)過(guò)特定的使用工況，達(dá)到壽命終止條件(比如容量衰減到80%)的時(shí)間跨度。日歷壽命與具體的使用要求是緊密結(jié)合的，通常需要規(guī)定具體的使用工況，環(huán)境條件，存儲(chǔ)間隔等。
日歷壽命比循環(huán)壽命更具有實(shí)際意義，但由于日歷壽命的測(cè)算非常復(fù)雜，而且耗時(shí)太長(zhǎng)，所以一般電池廠家只給出循環(huán)壽命的數(shù)據(jù)。如需要獲得日歷壽命的數(shù)據(jù)，通常要額外付費(fèi)，且要等待很長(zhǎng)時(shí)間。
6. 內(nèi)阻
鋰離子電池的內(nèi)阻是指電池在工作時(shí)，電流流過(guò)電池內(nèi)部所受到的阻力，它包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，極化內(nèi)阻又包括電化學(xué)極化內(nèi)阻和濃差極化內(nèi)阻。
歐姆內(nèi)阻由電極材料、電解質(zhì)、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成。極化內(nèi)阻是指電化學(xué)反應(yīng)時(shí)由極化引起的電阻，包括電化學(xué)極極化和濃差極化引起的電阻。
內(nèi)阻的單位一般是毫歐姆(mΩ)，內(nèi)阻大的電池，在充放電的時(shí)候，內(nèi)部功耗大，發(fā)熱嚴(yán)重，會(huì)造成鋰離子電池的加速老化和壽命衰減，同時(shí)也會(huì)限制大倍率的充放電應(yīng)用。所以，內(nèi)阻做的越小，鋰離子電池的壽命和倍率性能就會(huì)越好。
7. 自放電
電池在放置的時(shí)候，其容量是在不斷下降的，容量下降的速率稱(chēng)為自放電率，通常以百分?jǐn)?shù)表示：%/月。
自放電是我們不希望看到的，一個(gè)充滿(mǎn)電的電池，放個(gè)幾個(gè)月，電量就會(huì)少很多，所以我們希望鋰離子電池的自放電率越低越好。
這里需要特別注意，一旦鋰離子電池的自放電導(dǎo)致電池過(guò)放，其造成的影響通常是不可逆的，即使再充電，電池的可用容量也會(huì)有很大損失，壽命會(huì)快速衰減。所以長(zhǎng)期放置不用的鋰離子電池，一定要記得定期充電，避免因?yàn)樽苑烹妼?dǎo)致過(guò)放，性能受到很大影響。
8. 工作溫度范圍
由于鋰離子電池內(nèi)部化學(xué)材料的特性，鋰離子電池有一個(gè)合理的工作溫度范圍(常見(jiàn)的數(shù)據(jù)在-40℃~60℃之間)，如果超出了合理的范圍使用，會(huì)對(duì)鋰離子電池的性能造成較大的影響。
不同材料的鋰離子電池，其工作溫度范圍也是不一樣的，有些具有良好的高溫性能，有些則能夠適應(yīng)低溫條件。鋰離子電池的工作電壓、容量、充放電倍率等參數(shù)都會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生非常顯著的變化。長(zhǎng)時(shí)間的高溫或低溫使用，也會(huì)使得鋰離子電池的壽命加速衰減。因此，努力創(chuàng)造一個(gè)適宜的工作溫度范圍，才能夠最大限度的提升鋰離子電池的性能。
除了工作溫度有限制之外，鋰離子電池的存儲(chǔ)溫度也是有嚴(yán)格約束的，長(zhǎng)期高溫或低溫存儲(chǔ)，都會(huì)對(duì)電池性能造成不可逆的影響。
四、 鋰離子電池的正負(fù)極材料
我們經(jīng)常會(huì)看到磷酸鐵鋰，三元等專(zhuān)業(yè)的鋰離子電池術(shù)語(yǔ)，這些都是根據(jù)鋰離子電池正極材料來(lái)區(qū)分鋰離子電池的類(lèi)型。相對(duì)來(lái)講，鋰離子電池的正、負(fù)極材料對(duì)電池性能的影響比較大，是大家比較關(guān)心的方面。那么，當(dāng)前市場(chǎng)上都有哪些常見(jiàn)的正負(fù)極材料呢？用他們做鋰離子電池，又有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？
1. 正極材料
首先，我們來(lái)看看正極材料，正極材料的選擇，主要基于以下幾個(gè)因素考慮：
1) 具有較高的氧化還原反應(yīng)電位，使鋰離子電池達(dá)到較高的輸出電壓；
2) 鋰元素含量高，材料堆積密度高，使得鋰離子電池具有較高的能量密度；
3) 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要好，使得鋰離子電池具有長(zhǎng)循環(huán)壽命；
4) 電導(dǎo)率要高，使得鋰離子電池具有良好的充放電倍率性能；
5) 化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性要好，不易分解和發(fā)熱，使得鋰離子電池具有良好的安全性；
6) 價(jià)格便宜，使得鋰離子電池的成本足夠低；
7) 制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，便于大規(guī)模生產(chǎn)；
8) 對(duì)環(huán)境的污染低，易于回收利用。
當(dāng)前，鋰離子電池的能量密度、充放電倍率、安全性等一些關(guān)鍵指標(biāo)，主要受制于正極材料。
基于這些因素考慮，經(jīng)過(guò)工程研究和市場(chǎng)化檢驗(yàn)，目前市場(chǎng)常見(jiàn)的正極材料如下表所示：
鈷酸鋰的商業(yè)化應(yīng)用走的最早，第一代商業(yè)化應(yīng)用的鋰離子電池就是SONY在1990年推向市場(chǎng)的鈷酸鋰離子電池，隨后在消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品中得到大規(guī)模應(yīng)用。隨著手機(jī)、筆記本、平板電腦的大規(guī)模普及，鈷酸鋰一度是鋰離子電池正極材料中銷(xiāo)售量占比最大的材料。但其固有的缺點(diǎn)是質(zhì)量比容量(不等同于能量密度)低，理論極限是274mAh/g，出于正極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性考慮，實(shí)際只能達(dá)到理論值的50%，即137mAh/g。同時(shí)，由于地球上鈷元素的儲(chǔ)量比較低，也導(dǎo)致鈷酸鋰的成本偏高，難以在動(dòng)力電池領(lǐng)域大規(guī)模普及，所以鈷酸鋰正極材料將被其他材料逐步取代。
由于穩(wěn)定性，安全性，材料合成困難等方面的缺點(diǎn)，鎳酸鋰的商業(yè)應(yīng)用較少，市場(chǎng)上很少看到，這里不做論述。
錳酸鋰的商業(yè)化應(yīng)用，主要在動(dòng)力電池領(lǐng)域，是鋰離子電池一個(gè)比較重要的分支。如日產(chǎn)的leaf純電動(dòng)轎車(chē)采用了日本AESC公司的錳酸鋰離子電池，早期的雪弗蘭Volt也采用韓國(guó)LG化學(xué)的錳酸鋰離子電池。錳酸鋰的突出優(yōu)點(diǎn)是成本低，低溫性能好，缺點(diǎn)是比容量低，極限在148mAh/g，且高溫性能差，循環(huán)壽命低。所以錳酸鋰的發(fā)展有明顯的瓶頸，近年來(lái)的研究方向主要是改性錳酸鋰，通過(guò)摻雜其他元素，改變其缺點(diǎn)。
磷酸鐵鋰材料在中國(guó)熱過(guò)一陣子，一方面受美國(guó)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)在技術(shù)方面的帶動(dòng)，另一方面受比亞迪在國(guó)內(nèi)的產(chǎn)業(yè)化推動(dòng)，前幾年國(guó)內(nèi)的鋰離子電池企業(yè)在動(dòng)力電池領(lǐng)域基本都以磷酸鐵鋰材料為主。但是隨著全球各國(guó)對(duì)鋰離子電池能量密度的要求越來(lái)越高，而磷酸鐵鋰的比容量理論極限是170mAh/g，而實(shí)際上只能達(dá)到120mAh/g左右，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前和未來(lái)的市場(chǎng)需求。此外，磷酸鐵鋰的倍率性能一般，低溫特性差等缺點(diǎn)，也限制了磷酸鐵鋰的應(yīng)用。最近比亞迪搞出了一個(gè)改性磷酸鐵鋰材料，把能量密度提升了不少，還未透露具體的技術(shù)細(xì)節(jié)，不知道摻雜了什么材料在里面。就產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域而言，電力儲(chǔ)能市場(chǎng)應(yīng)該是磷酸鐵鋰離子電池的一個(gè)重要市場(chǎng)，相對(duì)而言，這個(gè)市場(chǎng)對(duì)能量密度不是特別敏感，而對(duì)長(zhǎng)壽命，低成本，高安全性電池的迫切需求，正是磷酸鐵鋰材料的優(yōu)勢(shì)所在。
日韓企業(yè)在近幾年大力推動(dòng)三元材料的應(yīng)用，鎳鈷錳三元材料逐漸成為市場(chǎng)的主流，國(guó)內(nèi)企業(yè)也采取跟隨策略，逐步轉(zhuǎn)向三元材料。三元材料的比容量較高，目前市場(chǎng)上的產(chǎn)品已經(jīng)可以達(dá)到170~180mAh/g，從而可以將電池單體的能量密度提高到接近200Wh/kg，滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的長(zhǎng)續(xù)航里程要求。此外，通過(guò)改變?nèi)牧系呐浔?x，y的值)，還可以達(dá)到良好的倍率性能，從而滿(mǎn)足PHEV和HEV車(chē)型對(duì)大倍率小容量鋰離子電池的需求，這也正是三元材料大行其道的原因。從化學(xué)式可以看出，鎳鈷錳三元材料綜合了鈷酸鋰(LiCoO2)和錳酸鋰(LiMn2O4)的一些優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)因?yàn)閾诫s了鎳元素，可以提升能量密度和倍率性能。
鎳鈷鋁三元材料，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，其實(shí)算是一種改性的鎳酸鋰(LiNiO2)材料，在其中摻雜了一定比例的鈷和鋁元素(占比較少)。商業(yè)化應(yīng)用方面主要是日本的松下公司在做，其他鋰離子電池公司基本沒(méi)有研究這個(gè)材料。之所以拿來(lái)對(duì)比，是因?yàn)槎ΧΥ竺腡esla，就是使用松下公司的18650鎳鈷鋁三元電芯做電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池系統(tǒng)，并且做到了接近500公里的續(xù)航里程，說(shuō)明了這種正極材料，還是有其獨(dú)特的價(jià)值。
以上僅僅是比較常見(jiàn)的鋰離子電池正極材料，并不代表所有的技術(shù)路線(xiàn)。實(shí)際上，不管是高校和科研院所，還是企業(yè)，都在努力研究新型的鋰離子電池正極材料，希望把能量密度和壽命等關(guān)鍵指標(biāo)提升到更高的量級(jí)。當(dāng)然，如果要在2020年達(dá)到250Wh/kg，甚至300Wh/kg的能量密度指標(biāo)，現(xiàn)在商業(yè)化應(yīng)用的正極材料都無(wú)法實(shí)現(xiàn)，那么正極材料就需要比較大的技術(shù)變革，如改變層狀結(jié)構(gòu)為尖晶石結(jié)構(gòu)的固溶體類(lèi)材料，以及有機(jī)化合物正極材料等，都是目前比較熱門(mén)的研究方向。
2. 負(fù)極材料
相對(duì)而言，針對(duì)鋰離子電池負(fù)極材料的研究，沒(méi)有正極材料那么多，但是負(fù)極材料對(duì)鋰離子電池性能的提高仍起著至關(guān)重要的作用，鋰離子電池負(fù)極材料的選擇應(yīng)主要考慮以下幾個(gè)條件：
1) 應(yīng)為層狀或隧道結(jié)構(gòu)，以利于鋰離子的脫嵌；
2) 在鋰離子脫嵌時(shí)無(wú)結(jié)構(gòu)上的變化，具有良好的充放電可逆性和循環(huán)壽命；
3) 鋰離子在其中應(yīng)盡可能多的嵌入和脫出，以使電極具有較高的可逆容量；
4) 氧化還原反應(yīng)的電位要低，與正極材料配合，使電池具有較高的輸出電壓；
5) 首次不可逆放電比容量較??；
6) 與電解質(zhì)溶劑相容性好；
7) 資源豐富、價(jià)格低廉；
8) 安全性好；
9) 環(huán)境友好。
鋰離子電池負(fù)極材料的種類(lèi)繁多，根據(jù)化學(xué)組成可以分為金屬類(lèi)負(fù)極材料(包括合金)、無(wú)機(jī)非金屬類(lèi)負(fù)極材料及金屬氧化物類(lèi)負(fù)極材料。
(1)金屬類(lèi)負(fù)極材料：這類(lèi)材料多具有超高的嵌鋰容量。最早研究的負(fù)極材料是金屬鋰。由于電池的安全問(wèn)題和循環(huán)性能不佳，金屬鋰作為負(fù)極材料并未得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，合金類(lèi)負(fù)極材料得到了比較廣泛的研究，如錫基合金，鋁基合金、鎂基合金、銻基合等，是一個(gè)新的方向。
(2)無(wú)機(jī)非金屬類(lèi)負(fù)極材料：用作鋰離子電池負(fù)極的無(wú)機(jī)非金屬材料主要是碳材料、硅材料及其它非金屬的復(fù)合材料。
(3)過(guò)渡金屬氧化物材料：這類(lèi)材料一般具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，如鋰過(guò)渡氧化物(鈦酸鋰等)、錫基復(fù)合氧化物等。
就當(dāng)前的市場(chǎng)而言，在大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用方面，負(fù)極材料仍然以碳材料為主，石墨類(lèi)和非石墨類(lèi)碳材料都有應(yīng)用。在汽車(chē)及電動(dòng)工具領(lǐng)域，鈦酸鋰作為負(fù)極材料也有一定的應(yīng)用，主要是具有非常優(yōu)異的循環(huán)壽命、安全性和倍率性能，但是會(huì)降低電池的能量密度，因此不是市場(chǎng)主流。其他類(lèi)型的負(fù)極材料，除了SONY在錫合金方面有產(chǎn)品推出，大多仍以科學(xué)研究和工程開(kāi)發(fā)為主，市場(chǎng)化應(yīng)用的比較少。
就未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)而言，如果能有效解決循環(huán)性能，硅基材料將可能取代碳材料成為下一代鋰離子電池的主要負(fù)極材料。錫合金，硅合金等合金類(lèi)的負(fù)極材料，也是一個(gè)非常熱門(mén)的方向，將走向產(chǎn)業(yè)化。此外，安全性和能量密度較高的鐵氧化物，有可能取代鈦酸鋰(LTO)，在一些長(zhǎng)壽命和安全性要求較高的領(lǐng)域，得到廣泛應(yīng)用。
