上世紀80年代初期，發現了鈷酸鋰作為蓄電池正極活性物質具有優良的性能。1990年代前半葉，正極採用鑽酸鋰，負極採用能效吸附鋰離子的碳材料的鈷酸鋰離子蓄電池開始實用化。最初主要用於手機、電腦、高級照相機與收放機之類的家電產品。隨著鋰離子性能改進，進入本世紀以來，大型鋰離子蓄電池開始應用於純電動汽車與混合動力車。但是作為第一代鋰離子蓄電池的鈷酸鋰蓄電池由於鈷原料價格昂貴，於是作為第二代的錳酸鋰離子蓄電池問世。特別在純電動汽車與混合動力車等大型蓄電池應用場合，錳酸鋰離子蓄電池是主要開發品種。

鋰離子蓄電池工作原理

錳酸鋰離子蓄電池的充放電反應如下式所示。

电极反应

電極反應

在鋰離子蓄電池中不使用諸如鉛酸蓄電池或鎳氫蓄電池的水溶液電解液，而是使用有機電解液。在充電過程中，正極中的鋰呈離子狀態，在電解液中移動，並被負極中的碳物質吸附。放電則是充電過程的逆反應。在這種反應過程中，通常鋰以離子形態存在，不析出金屬狀態的鋰。圖2(a、b)表示鋰離子蓄電池工作原理圖。

蓄电池工作原理

蓄電池工作原理

額定(標稱)電壓為3.6—3.8V，電壓較高，而且輕量化。鋰離子蓄電池的能量密度(或稱為重量比能量)或功率密度(或稱為重量比功率)非常高。

鋰離子蓄電池的構造

以圓筒形鋰離子蓄電池為例(見圖3)。表面塗有活性物質的正負極與隔板組成的元件插入金屬制電槽內。

蓄电池的构造

蓄電池的構造

1.正極

正極物質在錳酸鋰離子蓄電池中以錳酸鋰(LiMn2O4)為主要原料，在磷酸鐵鋰離子蓄電池中以磷酸鐵鋰(LiFePO4)為主要原料，在鎳鈷鋰(LiNiCOO2)或鎳鈷錳鋰離子蓄電池中以鎳鈷鋰為主要材料，或以鎳鈷錳鋰為主要原料(LiNi1/3Mn1/3CO1/3O2)。在正極活性物質中再加入導電劑、樹脂粘合劑，並塗覆在鋁基體上，呈細薄層分佈。

2.負極

負極活性物質是由碳材料與粘合劑的混合物再加上有機溶劑調和製成糊狀，並塗覆在銅基體上，呈薄層狀分佈。

3.隔板

隔板或稱隔離膜片，其功能起到關閉或阻斷通道的作用，一般使用聚乙烯或聚丙烯材料的微多孔膜。所謂關閉或阻斷功能是電池出現異常溫度上升，阻塞或阻斷作為離子通道的細孔，使蓄電池停止充放電反應。隔板可以有效防止因外部短路等引起的過大電流而使電池產生異常發熱現象。這種現象如果即使產生一次，就使電池不能使用。

4.電解液

電解液是以混合溶劑為主體的有機電解液。為了使主要電解質成分的鋰鹽溶解，必須具有高電容率，並且具有與鋰離子相容性良好的溶劑，即不阻礙離子移動的低粘度的有機溶液為宜，而且在鋰離子蓄電池的工作溫度範圍內，必須呈液體狀態，凝固點低，沸點高。電解液對於活性物質具有化學穩定性，必須良好適應充放電反應過程中發生的劇烈的氧化還原氣氛。又由於使用單一溶劑很難滿足上述嚴酷條件，因此電解液一般混合不同性質的幾種溶劑使用。

5.安全閥

為了確保鋰離子蓄電池的使用安全性，一般通過對外部電路的控制或者在蓄電池內部設有異常電流切斷的安全裝置。即使這樣，在使用過程中也有可能其他原因引起蓄電池內壓異常上升，這樣，安全閥釋放氣體，以防止蓄電池破裂。安全閥實際上是一次性非修復式的破裂膜，一旦進入工作狀態，保護蓄電池使其停止工作，因此是蓄電池的最後的保護手段。

鋰離子蓄電池的特性

現舉出由日本電池公司製造的混合動力車用鋰離子蓄電池的性能與特點。

圖4示出常溫下的充電狀態(SOC)與輸入、輸出的功率密度的關係。由圖可知，當充電狀態低時，電流輸出功率小，但大於鎳氫蓄電池相應值。而充電時，則呈負相關關係，即SOC升高，輸入電流明顯下降。即使這樣，其實際量值與其他蓄電池相比還維持較大值。參見圖4(a)。圖4(b)表示溫度與輸入、輸出功率密度的關係。與其他種類蓄電池一樣，充放電功率溫度越低，其量值越小。這是因為在低溫下電解液的粘度增大，離子移動速度變慢的緣故。

蓄电池的性能与特点

蓄電池的性能與特點

鋰離子蓄電池的控制

為了既發揮鋰離子蓄電池優點，也確保其安全性，必須對“過充電”、“過放電”、“過電流”、“異常高溫”、“單電池之間性能差”等進行精密控制。

為此，在蓄電池元件中，設有電流感測器、各單電池電壓感測器、各單電池溫度感測器、電流電壓穩定元件。並基於來自各種感測器的資訊由控制器進行最優控制。

鋰離子二次蓄電池種類

目前車用鋰離子蓄電池有三種：

1.錳酸鋰離子蓄電池

2.磷酸鐵鋰離子蓄電池

3.鎳鈷鋰離子蓄電池或鎳鈷錳鋰離子蓄電池。

新一代鋰離子蓄電池的研發

鈷酸鋰作為正極，碳材料作為負極的鈷酸鋰離子蓄電池自1994年問世以來已經經過14年時間。在這期間進行了多次改進，能量密度超過了最初的二倍(單位元重量能量密度達到200Wh/kg，單位溶積也達到了500Wh/dm3。這已經接近初期鋰離子蓄電池性能的極限。與此同時，由於鋰離子蓄電池的正負極都應用層間化合物之類的基質材料，又開發了新型基質材料，從而能實現鋰離子蓄電池的高功率化、高能量密度。表1表示當今正在開發的典型實例。其中，當應用大容量正極時，能量密度約提高30%，5V級正極場合，功率密度提高20—30%。另一方面，通過採用合金負極，有望使鋰離子蓄電池的能量密度提高到原來2—3倍。這些材料中的一部分通過與其他材料的混合形式已經開始應用，有望今後實用化。

开发现状

開發現狀

在製造技術方面，也進行了一系列開發。在一般情況下，添加的粘接劑在電極材料中所占的比重約10—15%，為了改善電極性能，開發不含這種粘接劑與導電助劑的電極，形成高能量密度化與電極材料有規則的排列，從而開發旨在獲得高功率、高能量密度的鋰離子蓄電池的一系列製造方法。在提高性能的同時，也在開發有望擴大用途的單片電源。

此外，還進行如下方面的試驗：通過電極材料的微粒化加工，以縮短鋰離子蓄電池充電時間，並採用納米級矽粒子與碳材料的複合負極，能夠在1分鐘時間內達到總充電容量80%的充電能力。

鋰是金屬中能夠釋放電子的最輕元素之一，其氧化還原電勢按照標準氫電極基準為3.045V，在金屬中最低，因此通過高電位電極的匹配，就有可能組成高能量密度的蓄電池。但金屬鋰用於蓄電池正極，充電時會發生樹狀析出物，有可能在蓄電池內部發生短路等問題。為此，在正極、負極都可以應用諸如鋰離子能夠插入脫離的層間化合物。這樣，在充放電過程中，鋰離子只在正負極間移動而不會生成金屬鋰。

在鋰離子蓄電池中，由於不會發生金屬鋰的析出與溶解，因此確保高度穩定性。與此同時，由於只有鋰離子移動，副反應少，從而又可以獲得高安培小時效率(放電量與充電量之比)。

在最早鋰離子蓄電池即鈷酸鋰蓄電池中，由於正極或負極都分別適用鈷酸鋰或石墨等基質材料，其所獲得的功率密度(單位元重量或單位體積的功率，即W/kg或W/dm3)或者能量密度(單位元重量或單位體積的能量，即Wh/kg或Wh/dm3)較小，而第二代鋰離子蓄電池磷酸鐵鋰離子蓄電池的功率密度和能量密度不斷提高，並且不會生產諸如鎳鎘蓄電池的記憶效應(當不斷來回進行補充充電時會發生放電電壓下降，表現容量減少的現象)，自放電極低，因此鋰離子蓄電池作為普遍可用的能源裝置易於推廣。

車用鋰離子蓄電池第一代是錳酸鋰離子蓄電池，成本低，安全性較好，但迴圈壽命欠佳，在高溫環境下迴圈壽命更短，高溫時會出現錳離子溶出的現象。第二代是磷酸鐵鋰離子蓄電池是美國專利，是鋰離子蓄電池發展方向，它由於原材料價格低且磷、鐵、鋰存在於地球資源含量豐富，且工作電壓適中，充放電特性好，高放電功率，可快速充電且迴圈壽命長，高溫和高熱穩定性好，儲能特性強，完全無毒。

為了避開磷酸鐵鋰離子蓄電池專利糾紛，開發了鎳鈷鋰離子蓄電池或鎳鈷錳鋰離子蓄電池。由於鈷價格昂貴，所以成本較高，安全性比磷酸鐵鋰離子蓄電池稍差，迴圈壽命優於錳酸鋰離子蓄電池，豐田汽車公司為了開磷酸鐵鋰離子蓄電池專利糾紛，採用鎳鈷鋰離子蓄電池，但以後還要開發磷酸鐵鋰離子蓄電池。