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锂离子电池

此条目页的主题是可重复充电的锂离子电池。关于不可重复充电的锂电池，请见“锂电池”。

锂离子电池（英语：Lithium-ion battery或英语：Li-ion battery）是一种可重复充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。锂离子电池使用一个嵌入的锂化合物作为一个电极材料。目前用作锂离子电池的正极材料主要常见的有：钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、镍酸锂（LiNiO2）及磷酸铁锂（LiFePO4）。[6] 该领域的重要进展是约翰·古迪纳夫，斯坦利·惠廷厄姆，拉奇德·雅扎米（英语：Rachid Yazami）和吉野彰于1970年代开始并发展到1980年代，1991年，Sony和Asahi Kasei达成了商业化的共识。古迪纳夫、惠廷厄姆和吉野彰因开发锂离子电池而获得了2019年诺贝尔化学奖。

锂离子电池
在“NOKIA 3310”手机上使用的一块诺基亚锂离子聚合物电池。
比能100–265 W·h/kg[1][2] (0.36–0.95 MJ/kg)
能量密度250–730 W·h/L[2] (0.90–2.23 MJ/L)
功率重量比~250-~340 W/kg[1]
充电/放电效率80–90%[3]
能源/消费价格2.5 W·h/US$
自放电率8% 在 21 °C
15% 在 40 °C
31% 在 60 °C
(每月)[4]
循环耐久性400–1500 充电周期 [5]
标称电池电压NMC 3.6 / 3.7 V, LiFePO4 3.2 V
用于iPhone的锂离子聚合物电池

这些锂离子电池与其发展产品是在消费电子领域常见的。它们是便携式电子设备中可充电电池最普遍的类型之一，具有高能量密度，无记忆效应，在不使用时只有缓慢电荷损失等特点。除了消费类电子产品，越来越进步的锂离子电池也越来越普及，可用于军事，纯电动汽车和航空航天[7]。例如，磷酸锂铁电池正在成为铅酸蓄电池的一种常见的替代蓄电池，在历史上铅酸蓄电池用于高尔夫球车和多用途车，但这种高效的新型电池已经能够突破旧有锂电池与铅酸电池的各种缺点，达成全面替代的目标。

此外，锂离子电池容易与下面两种电池混淆：

  • 锂电池（Lithium battery）：虽然常常用作为锂离子电池的简称，但严格意义的锂电池是锂原电池，内含纯态的锂金属，为一次性使用、不可充电。
  • 锂离子聚合物电池（Lithium-ion polymer batteries，也常称为“锂聚合物电池”）：大致上其实也是锂离子电池，是普通锂离子电池的改良，利用胶态或固态聚合物取代液态有机溶剂的可充电锂离子电池，其安全性较好不会爆炸，且可以塑造各种不同形状的电芯，成为了现在的主流形式电池。

历史

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商业化之前

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皇家化学会在牛津大学设置的蓝色牌匾，纪念古迪纳夫等人在此发现锂离子电池的正极材质钴酸锂（LiCoO2）。

1970年代在埃克森工作的，而现在在宾汉顿大学工作的斯坦利·惠廷厄姆最早提出锂离子电池。他采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂离子电池。[8]电池使用金属锂会存在安全隐患，因为锂是一种高度反应性的元素；由于在正常大气条件下水和氧的存在，锂会燃烧[9]。其研究结果是，把研究方向转移到寻求用锂化合物代替金属锂且仍能够接受和释放锂离子。

  • 1980年，约翰·B·古迪纳夫、水岛公一等人在英国牛津大学发现锂离子电池的正极材质钴酸锂（LiCoO2）。[10][11][12]
  • 1982年伊利诺伊理工大学（the Illinois Institute of Technology）的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。与此同时，采用金属锂制成的锂电池，其安全隐患备受关注，因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。
  • 1983年M.Thackeray、约翰·B·古迪纳夫等人发现锰尖晶石是优良的正极材料，[13]。锰尖晶石具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高，且氧化性远低于钴酸锂，即使出现短路、过充电，也能够避免了燃烧、爆炸的危险。虽然纯锰尖晶石随充放电循环会变衰弱，但这是可以通过材料的化学改性克服的。[14] 截至2013年锰尖晶石用于商业电池。[15]
  • 1985年，日本旭化成的吉野彰运用钴酸锂开发电池阴极，彻底消除金属锂，完成世界最初可商业化的含锂碱性锂离子电池。[16]
  • 1989年，A.Manthiram和古迪纳夫发现采用聚电解质(例如，硫酸盐)的正极将产生更高的电压，原因是聚电解质的电磁感应效应。[17]

1991年Sony成功开发锂离子电池。它的实用化，使人们的移动电话、笔记型电脑等携带式电子设备重量和体积大大减小，使用时间大大延长。由于锂离子电池中不含有重金属镉，与镍镉电池相比，大大减少了对环境的污染。

商业化

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随着开发的进展，锂离子电池的性能和容量继续提高。

发展现况

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现在3C产业常提到的锂离子电池其实是钴酸锂电池，广义的可充放锂离子电池是指由一个石墨负极，一个采用钴、锰或磷酸铁的正极，以及一种用于运送锂离子的电解液所构成。而一次锂离子电池则可以锂金属或者嵌锂材料作为负极。

锂离子电池产业发展20多年来一直集中在3C产业为主，较少应用在市场经济规模更大的储能和动力电池（瞬间需要较大电流）市场，该市场涵盖纯电动车、油电混合车、中大型UPS、太阳能、大型储能电池、电动手工具、电动摩托车、电动自行车、航空航天设备与飞机用电池等领域。

主要原因之一是过去锂电池采用的钴酸锂正极材料（LiCoO2，就是现在最常见的锂离子电池）成本较高，并且难以应用在耐受穿刺、冲撞和高温、低温等条件等特殊环境。更重要的是，因无法满足人们对安全的绝对要求而饱受诟病。

同时，钴酸锂电池也无法达到快速充电与完全避免二次污染等目的，而且，一定要设计保护电路以防止过度充电或过度放电，否则就会造成爆炸等危险，甚至出现如Sony电池爆炸导致全球品牌NB业者投下巨资回收的情况。

另外，钴的价格愈来愈高昂，全球钴矿最大生产国刚果民主共和国，战乱纷扰多，导致钴矿价格不断升高。钴酸锂电池的粉体因钴矿价格不断上涨，现在已从原先的每公斤40美元涨价到60~70美元。磷酸锂铁粉体依品质好坏，每公斤售价在30~60美元。

这20年来，各国产学界早已投入无数的研发人力与资源，不断寻找能够取代或解决LiCoO2问题的新材料，因为，据统计，全球动力与储能电池市场的经济规模总量每年高达500亿美元，远大于钴酸锂电池每年55~60亿美元的胃纳量。从2006年7月至今，包括投入能源储存设备的Deeya Energy，发展薄膜锂电池的Infinite Power Solution，看好新世代锂离子电池─磷酸锂铁电池产业（LFP，Lithium Ferrous Phosphate）的美国A123 Systems（英语：A123 Systems）、台湾Aleees和加拿大Phostech Lithium（英语：Phostech Lithium）等业者，快速从全球创投和其他资金来源募来超过3亿美元的资金。

优点

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  • 高能量密度：因电极材料不同而不同，按质量计算，可达150～200Wh/kg(540～720kJ/kg)；按体积计算，可达250～530Wh/L(0.9～1.9kJ/cm3)。[2]
  • 开路电压（英语：Open-circuit voltage）高：因电极材料不同而不同，可达3.3～4.2V。
  • 输出功率大：因电极材料不同而不同，可达300～1500W/kg(@20秒)。[1][与来源不符]
  • 无记忆效应:磷酸铁锂锂离子电池无记忆效应，电池在未放空电的情况下可随时充放电，使用维护简便。
  • 低自放电（英语：Self-discharge）：<5％～10％/月。智能锂离子电池由于有内建的监测电路，这个监测电路的工作电流甚至高于自放电电流。
  • 工作温度范围宽：可在-20℃～60℃之间正常工作。
  • 充、放电速度快

因此，锂离子电池广泛应用于消费电子产品、军用产品、航空产品等。

缺点

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损坏的手机锂电池
 
膨胀的OKWAP手机锂电池
  • 不耐受过放：过放电时，过量嵌入的锂离子会被固定于晶格中，无法再释放，导致寿命加速缩短，深度放电（电压小于3.0V时放电）更可能使电池损坏，因此应避免没电的时候存放。电池损耗一般为500次完全充放，从最高电压4.2V开始放电至3V作为100，减少深度放电80%的动作，改为浅度放电30%，电池的最高电压就能得到有效维持，可保养电池长期的健康，电压较高的条件下，驱动电子设备的循环次数可以提高，根据不同的电池配方，有效再放电次数甚至可达到近五到十倍的提升。所以使用至极低电量是损伤电池耐久性的行为，也就是说增高的电压有可能活化电池的最大放电能力。
  • 不耐受过充：过充电时，电极脱嵌过多锂离子，又没有及时得到补充，长久可导致晶格坍塌，从而不可逆的损毁电池性能，更有可能因为带电离子不易流动，能量蓄积而导致过热爆炸。因此厂商运送与储藏锂电池产品的时候，一般是留仅三分之一以下的电量，而持续插上充电器接头时，首重的是避免保持满电状态，以锂电池作为能量源的电动车常设计有70%左右的充电限制就是根据此点特性，有些产品甚至建议日常保持低于50%，如此容量衰退相对会比较少，也代表锂电池必须经常使用，要定时适当的使内储的电子流动。
  • 衰老怕热：与其它充电电池不同，锂离子电池会在使用循环中不可避免的自然缓慢衰退，就算是储放着不使用，容量也会减少，这其实与使用次数无关（除非是过度充放的循环导致的晶格损失，这样的衰老过程称之为损耗较为合适），除了本身化学材料的质变，而且也与温度有关。可能的机制是内阻逐渐升高，所以，在工作电流高的电子产品更容易体现热衰现象，另外也要避免外部气温所带来的影响。用钛酸锂取代石墨，似乎可以延长寿命。储存电池的温度与容量永久损失速度的关系如下：
储存时的充电电量 储存温度0℃ 储存温度25℃ 储存温度40℃ 储存温度60℃
40％～60％ 2％/年 4％/年 15％/年 25％/年
100％ 6％/年 20％/年 35％/年 80％/6月
  • 回收率：大约有1％的出厂新品因种种原因需要回收。
  • 需要多重保护机制：由于错误使用会减少寿命，甚至可能导致爆炸，所以，锂离子电池设计时一般都会增加了多种保护机制。
    • 保护电路：防止过充、过放、过载、过热。
    • 排气孔：避免电池内部压强过大。
    • 隔膜：有较高的抗穿刺强度，防止内部短路；在电池内部温度过高时还能融化，阻止锂离子通过，阻滞电池反应，升高内阻(至2kΩ)。
    • 排气孔、隔膜一旦发动，将使电池永久失效。
    • 膨胀：当电池过度充电，过热、浸水，使用副厂充电器，或将其不当保存，进行不当使用皆有可能膨胀甚至爆炸。

种类

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拆开的圆柱形18650锂离子电池，其中的18650代表直径为18mm，而长度为65.0mm
 
两枚18650锂离子电池（左）及一枚CR123A锂电池（右）

现在常见的圆柱型锂离子电池规格分别有26650/21700/18650/17670/18500/18350/17500/16340/14500/10440，前两位数表示电池直径（单位：毫米），第三、第四位数表示电池长度（单位：毫米），第五位数代表电池外观形状(0：代表电池外观为圆柱型)，以18650电池为例，其直径是18毫米，长度是65毫米，外观为圆柱型。14500电池尺寸接近AA电池（台规三号电池、中国大陆五号电池），10440电池则接近AAA电池（台规四号电池、中国大陆七号电池）。另外电池正极形状也分为平头与尖头，平头电池全长即标准尺寸，而尖头全长则要再增加约0.5毫米。

正极材料的选择决定了电池的容量、安全性和老化特性。其中钴特别提供了极佳的容量和老化特性，但与其他的材料相比，钴的安全性就差了些。

“LiNiO2”（镍锂电池）
“LiNi0.8Co0.2O2”（镍钴锂电池）
“LiMn2O4”（锰锂电池）
“LiNi0.3Co0.3Mn0.3O2”（三元电池）
磷酸铁锂（LFP）电池

镍钴锂电池

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镍钴锂电池是镍锂电池和钴锂电池的固溶体（综合体），兼具镍锂和钴锂的优点，一度被产业界认为是最有可能取代钴锂电池的新正极材料，但安全性还无法有更大突破。

因此，全球相关业者的主要发展集中在基于锰或磷酸铁的正极以提升其安全性，但提高安全性的代价是电池容量略有下降，且使电池的老化速度加快。

镍锂电池

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锂镍电池的成本较低且电容量较高，不过，制作过程困难且材料性能的一致性和再现性差，最严重的是依然有安全性问题。

磷酸铁锂电池

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磷酸铁锂电池则同时拥有钴锂、镍锂和锰锂的主要优点，但不含钴等贵重元素，原料价格低且磷、锂、铁存在于地球的资源含量丰富，不会有供料问题，而且，工作电压适中（3.2V）、电容量大（170mAh/g）、高放电功率、可快速充电且循环寿命长，在高温与高热环境下的稳定性高，是目前产业界认为较符合环保、安全和高性能要求的锂离子电池。

不过，磷酸铁锂（LFP）电池压实密度相对较低、低温性能欠佳，放电电压过于平稳造成难以估计余电量，并且正极材料存在专利争议。目前主要的3种技术和化合物分别由全球3家业者掌握，包括源自美国德州大学的LiFePO4，以及另外两种Nanophosphate和NanoCocystallineOlivine（NCO）。

磷酸铁锂电池的规格分别为1、2、3、5、7号，其中5、7号最常见，5号磷酸铁锂电池规格同等AA电池，7号则同等AAA电池。

充电过程

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单一枚锂离子电池的充电过程分两阶段：[26][27]

  1. CC (constant current) 恒定电流充电：先以恒定电流充电，这样会使电池电压渐渐上升，直至电压到达一特定数值。此特定数值的电压视电池物料而定。
  2. CV (constant voltage) 恒定电压充电：以固定电压向电池充电，这样充电电流会渐渐减小，直到电流小于某一程度后充电过程即完成。

多枚串联锂离子电池的充电方法较为复杂，分3个阶段：

  1. CC (constant current) 恒定电流充电
  2. 电量衡充 (blance charging)；减小个别电池的充电量，直至各电池的充电程度(电量状态) (SOC- state of charge)都衡等。
  3. CV (constant voltage) 恒定电压充电

电化学

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和所有化学电池一样，锂离子电池也由三个部分组成：正极、负极和电解质。习惯上，锂离子进入正极材料的过程叫“嵌入”，离开的过程叫“脱嵌”；锂离子进入负极材料的过程叫“插入”，离开的过程叫“脱插”。

正极半反应是：[28]

 

负极半反应是：

 

总体反应有局限性。过放电supersaturates锂钴氧化物，导致产生的氧化锂[29]，可能是由以下的不可逆反应：

 

原理

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锂离子电池中的电解液可以是凝胶体、聚合物（锂离子/锂聚合物电池）、或凝胶体与聚合物的混合物。因为目前尚未发现能够在室温条件下有效运送锂离子的聚合物，所以大多数的“塑胶封袋”锂离子/ 锂聚合物电池事实上都是结合凝胶体和聚合物的混合型电池。

正极或负极必须具有类似海绵的物理结构，以释放或接收锂离子。在放电时，锂离子从负极材料移出至电解液，再像水进入海绵一样地进入正极材料，这个过程被称为嵌入(Intercalation)。充电的过程则完全相反。

正极

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  • 正极材料：如上文所述，可选的正极材料很多，目前主流产品多采用锂铁磷酸盐。不同的正极材料对照：
正极材料 平均输出电压 能量密度
LiCoO2 3.7 V 140 mAh/g
Li2Mn2O4 3.7 V 100 mAh/g
LiFePO4 3.3 V 100 mAh/g
Li2FePO4F 3.6 V 115 mAh/g
  • 正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。
    • 充电时：LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe−
    • 放电时：Li1-xFePO4 + xLi+ + xe− → LiFePO4

负极

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  • 负极材料：多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。
  • 负极反应：放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。
    • 充电时：xLi+ + xe− + 6C → LixC6
    • 放电时：LixC6 → xLi+ + xe− + 6C

电解质溶液

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  • 溶质：常采用锂盐，如高氯酸锂（LiClO4）、六氟磷酸锂（LiPF6）、四氟硼酸锂（LiBF4）。
  • 溶剂：由于电池的工作电压远高于水的分解电压，因此锂离子电池常采用有机溶剂，如乙醚、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯等。有机溶剂常常在充电时破坏石墨的结构，导致其剥脱，并在其表面形成固体电解质膜（solid electrolyte interphase，SEI）导致电极钝化。有机溶剂还带来易燃、易爆等安全性问题。

汰役电池的再利用

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由于电动汽车的在全世界的普及，锂离子电池制造的动力电池淘汰量开始大幅增加，造成环保威胁和资源浪费。预计到 2030 年，约 100-120 GWh 的电动车动力电池将汰役。[30] 因此，建议对此类汰役动力电池进行回收再利用。[31][32] 一些汰役的动力电池仍有约80%的初始容量。[33][34][35] 它们可以重新利用并重新用作二次应用，例如为储能系统中的电池提供服务。[36][37][38][39] 各国政府已意识到这一紧迫问题，并准备推出应对汰役电池的政策，如编码原则、追溯管理系统、制造工厂指南、拆解工艺指南、剩余能量测量、税收抵免、退税和财政支持等。[40][41][42][43]

汰役电动车电池的二次应用标准目前仍是新兴技术。由保险商实验室 (UL) 发布的 UL 1974 是少数的标准之一。[44] 文件中给出了汰役动力电池电芯、电池组、模块安全操作和性能测试的一般流程，但未能详细说明步骤和具体内容。对于现实世界中的应用，现有电池、电池组和模块的设计、外形尺寸和材料通常彼此之间存在很大差异。制定一致的技术流程很困难。此外，公开文献中关于所应用的详细技术程序的信息目前仍相当缺乏。除了 Schneider等人展示了手机用小型圆柱镍氢电池的翻新流程，[45][46] Zhao等人发表了中国一些电动汽车锂离子电池并网应用的成功经验，[47] 和 Chung 报告 UL 1974 中描述的有关 LiFePO4 汰役电池的测试程序及相关数据。[30]

登机政策

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  • 中国大陆：个人自用的消费电子产品，如手表、计算机、照相机、手机、笔记型电脑、便携式摄影机等，如果内含锂或锂离子电池芯或电池的，允许登机。如作为备用电池的，必须单个存放，必须做好防短路保护，仅能在手提行李中携带，并且限制在每人不超过2个，等质总锂含量不超过25克。托运行李禁止携带锂离子电池。
  • 美国：当且仅当锂离子电池是安装在允许登机的设备上时，该电池才准予登机。手提行李不受此限。
  • 台湾：不得将锂电池单独携带，必须装设在电子机器内，而如果没有将其设置不予登机，如果必须单独带入必须经过海运，并且径行报关

参见

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参考

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