一、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)、無記憶效應(yīng)、無充放電延時(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。可是到了智能機(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)的功耗越來越大，而電池的容量卻沒有同比例的增長(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。這一問題同樣出現(xiàn)在電動(dòng)汽車領(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)汽車的單次行駛里程達(dá)到500公里(與傳統(tǒng)燃油車相當(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)，如1/10C，1/5C，1C，5C，10C等。舉個(gè)例子來闡述倍率指標(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)，本文不再分開一一論述，而是集中做個(gè)解釋。

開路電壓，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)，有電流流過時(shí)，測(cè)量所得的正負(fù)極之間的電位差。一般來說，由于電池內(nèi)阻的存在，放電狀態(tài)時(shí)的工作電壓低于開路電壓，充電時(shí)的工作電壓高于開路電壓。

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，使用過一段時(shí)間的手機(jī)，可以很明顯的感覺到手機(jī)電池“不耐用”了，剛開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，日歷壽命就是電池在使用環(huán)境條件下，經(jīng)過特定的使用工況，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。

二、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，三元等專業(yè)的鋰離子電池術(shù)語，這些都是根據(jù)鋰離子電池正極材料來區(qū)分鋰離子電池的類型。相對(duì)來講，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。

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?。?br/>
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)極材料的種類繁多，根據(jù)化學(xué)組成可以分為金屬類負(fù)極材料(包括合金)、無機(jī)非金屬類負(fù)極材料及金屬氧化物類負(fù)極材料。

(1)金屬類負(fù)極材料：這類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，合金類負(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)無機(jī)非金屬類負(fù)極材料：用作鋰離子電池負(fù)極的無機(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)過渡金屬氧化物材料：這類材料一般具有結(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，石墨類和非石墨類碳材料都有應(yīng)用。在汽車及電動(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)研究和工程開發(fā)為主，市場(chǎng)化應(yīng)用的比較少。