（五）锂离子蓄电池

锂离子蓄电池是1990年由日本索尼公司首先推向市场的高能蓄电池。锂离子蓄电池是当今各国能量存储技术研究的热点，目前车用储能电池大部分是锂离子蓄电池，如图2-26所示。

锂离子蓄电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料，石墨为负极材料，使用非水电解质。

1. 锂离子蓄电池特点

锂离子蓄电池能量密度大，平均输出电压高；自放电量小，优质的电池每月在2%以下（可恢复）；没有记忆效应；工作温度范围为-20～60℃，正常工作温度为55℃；循环性能优越，可快速充放电，充电效率高达100%；输出功率大；使用寿命长；不含有毒有害物质，被称为绿色电池。

2. 锂离子蓄电池的结构组成

锂离子蓄电池一般由正极、负极、电解质、隔膜、正极引线、负极引线、中心端子、绝缘材料、安全阀、密封圈、PTC元件、电池壳等部件组成。常见锂离子蓄电池形状有方形和圆柱形，内部形态有聚合物（软包装）、液态锂离子（钢壳）两种。图2-27所示为锂离子蓄电池结构。

正极一般是采用锰酸锂或者钴酸锂，镍钴锰酸锂材料。

负极一般采用具有特殊结构的碳材，如软碳、硬碳石墨和石墨化碳纤维等。

电解质一般为有机溶剂和锂盐的溶液，例如PC（聚碳酸酯）、EC（碳酸乙烯酯）、DMC（碳酸二甲酯）和DEC（碳酸二乙酯）。

根据采用的电解质材料不同，锂离子蓄电池可以分为液态锂离子蓄电池和聚合物锂离子蓄电池两种。

聚合物锂离子蓄电池使用了胶体电解质，因此不会出现液体电解液泄漏的问题。同时生产装配也更容易，单体蓄电池相对更轻、更薄，在便携式产品或产品内部空间受限时有很大应用前景。

隔膜的性能决定了蓄电池的界面结构、内阻等，直接影响蓄电池的容量、循环以及安全等特性，性能优异的隔膜对提高蓄电池的综合性能具有重要的作用。隔膜的主要作用是使电池的正、负极分隔开来，防止两极接触短路，此外还具有使电解质离子通过的功能。隔膜材质是不导电的，其物理化学性质对蓄电池的性能有很大影响。蓄电池的种类不同，采用的隔膜也不同。对于锂系列蓄电池，由于电解液为有机溶剂体系，因而需要耐有机溶剂的隔膜材料，一般采用高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜，如多孔聚丙烯（PP）或聚乙烯（PE）膜。

外包装材料一般采用铝塑或钢塑复合膜。

锂离子蓄电池的结构主要分卷绕式和层叠式两大类。液态锂离子蓄电池多采用卷绕式，而聚合物锂离子蓄电池则两种都有。卷绕式是将正极、隔膜、负极依次放好，然后卷绕成圆柱形或扁柱形。卷绕式锂离子蓄电池主要以SANYO、TOSHIBA、SONY、CATL为代表。

层叠式锂离子蓄电池则是按正极、隔膜、负极、隔膜、正极这样的方式多层堆叠，再将所有正极焊接在一起引出，所有的负极也焊接在一起引出。层叠式锂离子蓄电池主要以CATL为代表。

3. 锂离子蓄电池工作原理

在元素周期表里，锂原子相对质量小，得失电子能力强，电子转移比例高。锂离子蓄电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来传递能量，移动方向如图2-28所示。

当对蓄电池进行充电时，蓄电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极；而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对蓄电池进行放电时（即使用蓄电池的过程中），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。图2-29所示为锂离子蓄电池的工作原理。

一般锂离子蓄电池充电电流设定在0.2C～1C之间，C是指按几倍的标称电流放电，比如2000mA·h的电池，标称电流为2000mA，那么0.5C就是1000mA，2C就是4000mA。电流越大，充电越快，同时电池发热也越高。但使用过大的电流充电，容量不能充满，因为电池内部的电化学反应需要时间。

锂离子蓄电池工作时使用电池保护板进行保护。电池保护板主要是针对锂离子蓄电池起保护作用的集成电路板。锂离子蓄电池之所以需要保护，是因为锂离子蓄电池本身的材料决定了它不能被过充电、过放电、过电流、短路及超高温充放电，因此锂离子蓄电池组中会安装保护板和电流熔断器。图2-30所示为电池板保护电路，其中，PTC为正温度系数热敏电阻，NTC为负温度系数热敏电阻，在环境温度升高时，其阻值降低，使用电设备或充电设备能够及时反应，控制内部中断而停止充放电。U1为电路保护芯片，U2为两个反接的MOSFET开关。正常状态下，电池板U1的C0和D0都输出高电压，两个MOSFET都处于打开状态，蓄电池可以自由充放电。

过充电保护：U1检测到蓄电池电压达到过充电保护门限，C0管脚输出低电平，MOS管开关2由导通转为关闭，充电回路关断，充电器无法再对电池充电，从而实现过充电保护。

过放电保护：在蓄电池放电过程中，当U1检测到蓄电池电压低于过放保护门限时，D0管脚由高电平转变为低电平，MOS管开关1关闭，使蓄电池无法再放电；过放电保护状态下蓄电池电压不能再降低，要求保护电路的电流极小，控制电路进入低功耗状态。

过电流保护：正常情况下，蓄电池对负载进行放电，电流经过两个串联的MOS管开关，VM管脚检测到两个MOS管的压降为 U 。若负载因某种原因导致 U 异常，则使回路电流增大，当 U 大于一定值时，D0管脚由高电压转变为低电压，MOS管开关1关闭，从而使放电回路电流为零，达到过电流保护作用。

锂离子蓄电池具有工作电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、无污染、快速充电、自放电率低、工作温度范围宽、安全可靠和能够制造成任意形状等优点。 cb/cxKHE9nREcSiOhGR4v+2loq+xWnBB6QWv7teRynf1rYtKPAtjHTo2ueikWYTu