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撰稿人：愛陽動力iYPOWER技術團隊 時間：2014.10 地點：深圳 鋰電池產品已經應用到了我們生活的各個領域，消費類的產品如：手機、平板、筆記本電腦、數碼相機、穿戴產品、移動電源、藍牙耳機等，動力類產品如：電動汽車、電動自行車、機器人、電動工具等，儲能產品如：儲能電站、后備電源、UPS/DPS、太陽能路燈等，還有醫療產品、軍用設備等各個領域的應用需求。
每個領域對鋰電池的需求都不一樣，像手機更多的要求是續航和體積，電動汽車更多的要求是安全和續航，航模和無人機更多的要求是放電倍率等。 我們深圳愛陽動力有限公司（SHENZHEN iYPOWER CO., LTD.）專注鋰電池行業多年，我們的技術人員對鋰電池和鋰電池應用研究深刻。憑借的專業技術和服務在工業鋰電池定制服務領域樹立了很好的口碑。鋰電池的任何需求或任何問題都可以咨詢愛陽動力iYPOWER（ m.mouzuowen.com ）。上一張我們公司的產品圖。 
我們也要求我們的工程師專門針對鋰電池方面的基礎知識做了一個總結，力求通俗易懂，更復雜和更深入分析和學習可以咨詢我們。 主要為以下幾個主題：
1. 什么是鋰電池
2. 什么是動力鋰電池
3. 鋰電池的構成
4. 鋰電池工作原理
5. 鋰電池優缺點
6. 鋰電池分類
7. 鋰電池命名規則
8. 鋰電池常見術語
9. 各類動力鋰電池對比
10. 電動汽車鋰電池對比（比亞迪VS特斯拉）
11. 鋰電池基本工藝
12. 鋰電池串并聯
13. 鋰電池保護和管理系統
14. 鋰電池充電要求
15. 鋰電池的安全性問題
16. 鋰電池使用的誤區及建議
17. 鋰電池發展趨勢 1. 什么是鋰電池
鋰電池就是我們手機或電動汽車等在應用的電池。英文：Lithium Battery
如果更專業的解釋就是“一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料，使用非水電解液溶液的電池，可以多次循環使用的二次充電電池。”
鋰電池大致可以分為兩類：鋰離子電池和鋰金屬電池。我們大量使用的都是鋰離子電池，后來也開始出現一種安全性、比容量、性價比更高的鋰金屬電池。鋰離子電池不含金屬態的鋰，并且是可充電。本文說的鋰電池主要是指鋰離子電池。 鋰電池的構成主要由兩部分構成，電芯和管理系統（簡單的管理系統也稱為保護板），電芯相當于鋰電池的心臟，電池管理系統相當于鋰電池的大腦。
電芯的英文：Cell，電池管理系統的英文：BMS（Battery Management System），保護板的英文：PCM（Protection Circuit Modules） 鋰電池的一定要搭配合適的電池管理系統采用使用，否則非常危險。帶有鋰電池管理系統的鋰電池組我們一般稱為鋰電池PACK。
2. 什么是動力鋰電池
動力鋰電池是動力電池的一種類型，是指應用在動力驅動系統上的蓄電池，它是相對于消費類的鋰電池來說的，比如電動汽車鋰電池、電動自行車鋰電池、AGV機器人鋰電池、電動工具鋰電池等，更寬泛的情況有時也把儲能鋰電池也歸為動力電池。
相對于普通的鋰電池，動力鋰電池的要求一般更為特殊，高的能量密度，高的體積能量比，寬的溫度范圍，支持高倍率放電，循環壽命更長，更安全。 3. 鋰電池的構成
鋰電池電芯主要由四部分構成，正極材料、負極材料、電解液、隔膜。
鋰電池PACK主要由兩部分構成，電芯、電池管理系統。 電芯的結構如下圖所示：
鋰電池PACK的結構如下圖所示： 
鋰電池就是Li+在正、負極之間反復進行脫出和嵌入的實現電池的充電和放電。實際上是發生氧化還原反應的結果。
充電過程原理如下（放電過程與之相反）：
正極：LiCoO2 → Li(1-x)CoO2 + (x)Li+ + (x)e-
負極：C + (x)Li+ + (x)e- → CLi(x)
電池反應：LiCoO2 + C → Li(1-x)CoO2 + CLi(x) 鋰電池充放電過程見下圖： 
5. 鋰電池優缺點
鋰電池的優缺點是相對于其他電池來說的，像我們常用的鉛酸電池，鎳鎘電池，鎳氫電池等。
鋰電池的優點很多，電壓平臺高，能量密度大（重量輕、體積小），使用壽命長，環保。
鋰電池的缺點就是，價格相對高，溫度范圍相對窄，有一定的安全隱患（需加保護系統）。
（來源：愛陽動力iYPOWE）
鋰電池相對其他普通電池的對比情況如下： 
6. 鋰電池分類 鋰電池的分類方法有很多種，按不同的標準分類情況不同。 按外形：方形電池（如手機鋰電池）、圓柱型電池（如18650電池）； 按外包裝：鋁殼鋰電池、鋼殼鋰電池、軟包鋰電池； 按電解液狀態：鋰離子電池（LIB）、聚合物鋰電池（PLB）； 按正極材料：鈷酸鋰（LiCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）、三元鋰（LiNixCoyMnzO2）、磷酸鐵鋰（LiFePO4）。 分類情況可以參考下圖： 
7. 鋰電池命名規則
不同的廠家有不同的命名規則，但通用電池大家都遵循統一的標準，根據電池的名稱可以知道電池的尺寸等信息。
IEC61960規定，針對電芯，圓柱形和方形電池的規則如下：
a. 圓柱形電池，3個字母后跟5個數字，
3個字母，第一個字母表示負極材料，I表示有內置的鋰離子，L表示鋰金屬或鋰合金電極。第二個字母表示正極材料，C表示鈷，N表示鎳，M表示錳，V表示釩。第三個字母為為R表示圓柱形。
5個數字，前2個數字表示直徑，后3個數字表示高度，單位都為mm。
b. 方形電池，3個字母+6個數字
3個字母，前兩個字母的意義和圓柱形一樣，后一個字母為P表示為方形。
6個數字，前2個數字表示厚度，中間2個表示寬度，后面2個表示高度（長度），單位也為mm。
（來源：m.mouzuowen.com）
舉例如下：
ICR 18650就是直徑為18mm，高度為65mm的通用的18650圓柱形電池；
ICP 053353就是厚度為5mm，寬度為33mm，高度（長度）為53mm的方形電池。 
8. 鋰電池常見術語
在鋰電池行業，會經常碰到朋友溝通飚出一些術語，什么電池容量、放電倍率、電壓、內阻、循環壽命、剩余容量SOC等。
a. 電池容量(Capacity)
指一定的放電條件下可以從電池鋰獲得的電量。
我們在高中學物理是知道，電量的公式為Q=I*t，單位為庫倫，電池的容量單位規定為Ah（安時）或mAh（毫安時）。意思是1AH的電池在充滿電的情況下用1A的電流放電可以放1個小時。
像蘋果的手機的電池一般是2000mAh左右，電動自行車鋰電池一般都是8~15Ah左右，電動汽車一般都是20~200Ah等，像比亞迪的電動汽車e6就是200Ah的電芯。 b. 充放電倍率（Charge-Rate/Discharge-Rate）
表示以多大的電流充電、放電，一般以電池的標稱容量的倍數為計算，一般稱為幾C。
像容量1500mAh的電池，規定1C=1500mAh，如果以2C放電也就是以3000mA的電流放電，0.1C充放電就是以150mA的電流充放電。 c. 開路電壓（OCV: Open Circuit Voltage）
電池的電壓一般指鋰電池的標稱電壓（也叫額定電壓）。普通鋰電池的標稱電壓一般為3.7V，我們也稱其電壓平臺為3.7V。我們說的電壓一般指的是電池的開路電壓。
當電池20~80%的容量時，電壓集中在3.7V左右（3.6~3.9V左右），容量太高或太低，電壓變化較大。 d. 能量（Energy）/功率（Power）
電池以一定的標準放電，電池所能放出的能量（E），單位為Wh（瓦時）或KWh（千瓦時），另外1KWh=1度電。
物理書上有基本概念，E=U*I*t，也等于電池電壓乘以電池的容量。
而功率的公式為，P=U*I=E/t，表示單位時間能夠釋放的能量。單位為W（瓦）或KW（千瓦）。
像容量為1500mAh的電池，標稱的電壓一般為3.7V，故對應的能量為5.55Wh。 e. 內阻（Resistance）
由于充放電時不能等效為一個理想的電源，有一定的內阻。內阻是要消耗能量的，當然內阻越小越好。
電池內阻單位用毫歐（mΩ）。
一般電池的內阻由歐姆內阻和極化內阻組成，內阻的大小受電池的材料、制造工藝，還有電池的結構的影響。 f. 循環壽命（Cycle Life）
電池充電和放電一次就稱為一個循環，循環使用壽命是衡量電池壽命性能的一個重要指標。
IEC標準規定手機鋰電池，0.2C放電至3.0V，1C充電至4.2V，反復循環 500次后電池容量應保持為初始容量的60%以上。也就是說鋰電池的循環壽命為500次。
國標規定，手機電池循環壽命300次后，容量應保持初始容量的70%。
（來源：愛陽動力iYPOWE）
手機電池容量低于初始容量的60%一般要考慮報廢處理了。 g. 終止電壓（Cut-Off Voltage）
終止電壓分為充電終止電壓和放電終止電壓，也就是說電池不能繼續充電或放電的電壓，在終止電壓下再繼續充電或放電對電池的壽命影響很大。
鋰電池的充電終止電壓一般為4.2V，放電終止電壓為3.0V。
鋰電池超過終止電壓的深充或深放是嚴格禁止的。 h. 剩余容量SOC(State of Charge)
指電池的剩余電量與可以放出總電量的百分比，0~100%。反映電池剩余電量情況。 9. 各類動力鋰電池對比
動力電池主要是根據其應用來考慮的，主要應用在電動電動汽車、電動自行車、機器人、電動工具等。
動力電池區別于普通電池又有其一定的特殊性：
a. 電池的串并聯
b. 電池的容量較大
c. 電池的放電倍率較大（混合動力和電動工具）
d. 電池的安全性要求較高
e. 電池的工作溫度范圍較寬
f. 電池的使用壽命長，一般要求5~10年
由于動力電池的特殊性，其工藝和材料的也存在一定的差異，根據正極材料的情況主要分為錳酸鋰（LiMn2O4）、三元鋰（LiNixCoyMnzO2）、磷酸鐵鋰（LiFePO4）等，其電壓平臺、能量密度、價格、安全性等都有一定的差異，具體見下表的對比：
（其中鈷酸鋰由于其穩定性較差，價格較高等原因很少用做動力電池，放在下表一并列出對比） 
10.電動汽車鋰電池對比（比亞迪VS特斯拉）
動力電池有三大派別，磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、三元鋰電池，電動汽車用鋰電池的各派之爭最近愈演愈烈。
2014年前磷酸鐵鋰電池一直在國內唱主角，以比亞迪BYD等為代表的國內電動汽車龍頭企業一直以磷酸鐵鋰作為主要方向，但后來如日中天的特斯拉Tesla卻采購的是松下的三元鋰電池NCA，大家開始重新審視這個問題，三元鋰電池也就開始嶄露頭角。
（來源：m.mouzuowen.com）
我們詳細對比一下兩大電動汽車巨頭的電動車和鋰電池情況，代表的車型分別是比亞迪的e6和特斯拉的Model S。
具體看下表： 
11. 鋰電池基本工藝
不同的電池類型，不同的廠家，鋰電池的生產工藝會有很大差異，這里所列出的工藝為最基本的鋰電池制造工藝。
鋰電池電芯工藝生產流程為：制片、疊片、注液、封裝、存儲、化成分容、電測、包裝等。 
12. 鋰電池串并聯
在不同的應用領域，對電池的要求不一樣，系統對電壓，容量，內阻等都有一些特殊的要求。往往單節電池不能滿足要求，需要電池串并聯成鋰電池組后才能給外供電。 電池串并聯后的性能由最差那一節電池的性能決定，也就是我們常說的“木桶原理”，因此電池成組最重要的一點就是電池性能參數的一致性。 像筆記本，電動自行車，電動汽車，儲能系統等都需要考慮電池的串并聯組成電池包。
筆記本電池電壓一般是11.1V或14.8V，主要采用18650電池，所以一般2串3并或2串4并。
Apple iPAD就是3塊聚合物電池并聯，容量25Wh左右。電動自行車和電動摩托車系統一般是24V、36V、48V、60V、72V系統。
鋰電池具體成組情況見下表（S代表串聯）。
純電動汽車和混合動力（EV/PHEV）電壓更高，250~550V左右，像特斯拉的Model S一共串并聯7000多節18650鋰電池，比亞迪“秦”一共串聯140節鋰電池。
（來源：愛陽動力iYPOWE）
另外電池成組串并聯是要考慮很多東西，電池的電壓平臺的一致性，電池的容量的一致性，電池的內阻的一致性等。電池的串并聯后其參數的一致性對電池的性能和壽命也有很大的影響。 
13. 鋰電池保護和管理系統
鋰電池由于其本身的特性決定，一定要加保護板（PCM）或電池管理系統（BMS）才能使用，嚴格禁止使用沒有帶保護板或電池管理系統的鋰電池。沒有保護板或電池管理系統，鋰電池可能存在安全的隱患，甚至可能有起火或爆炸的危險。對于電池和電池管理系統來說，安全永遠是第一位的。
對于復雜的動力電池系統，一般需要電池管理系統（BMS）實時監控電池的狀態，確保電池和系統的安全，同時提高電池的循環壽命。簡單的電池管理系統一般只有電池保護功能的才稱為鋰電池保護板（PCM），根據系統的負責程度，應用的需求和成本情況選擇合適的電池管理系統。
鋰電池管理系統（BMS）一般包括下面功能：
鋰電池保護（過充保護、過放保護、過流保護等）、電壓/電流/溫度采集、電量均衡、SOC顯示、充放電管理、異常診斷、通信等。
(來源：m.mouzuowen.com)
保護板的功能主要有：
過充保護、過放保護、過流保護、短路保護、電量均衡、異常檢測等。
保護板與電池管理系統框圖如下： 
14. 鋰電池充電要求
鋰電池主流的充電方式是恒流恒壓（CC/CV : Constant Current – Constant Voltage），先恒流充電，到一定的電位后再恒壓充電，好的充電器還可以根據電池的電壓狀態涓流充，有些復雜的系統在后面還增加了脈沖充電方式，另外根據時間設置充電結束等。
充電器一般包括AC-DC（交直流轉換）、充電管理等模塊，手機充電器就只有AC-DC模塊等，專業術語叫適配器（Adapter），充電管理模塊集中在手機主板上。而像電動自行車、電動汽車充電器一般是集成適配器和充電管理的。
（來源：愛陽動力iYPOWE）
具體充電系統如下圖所示。 
15. 鋰電池的安全性問題
任何鋰電池如果產品質量有問題，或者使用不當，都可能存在安全隱患，甚至可能起火爆炸。
鋰電池最大的隱患就是過充情況下，鋰離子在負極堆積形成枝晶，刺穿隔膜，形成內部短路，產生大電流導致內部溫度升高，電解液生成氣體導致內部壓力升高，導致漏液起火或膨脹爆炸。
因此選擇好的鋰電池產品非常重要，在應用時適當考慮應用情況是完全可以杜絕安全隱患的。重點分析一下鋰電池安全性因素和選擇和使用鋰電池應該注意哪些問題
安全性因素：
a. 材料因素
選擇安全的正極、負極、電解液及隔膜材料，嚴格控制工藝流程和工藝參數。
b. 防爆閥
當內部壓力或溫度達到預設值，打開防爆閥，泄放多余氣體，確保安全。
c. 保護電路
保護電路可以有效防止過充、過放、過流等，合理且可靠的保護電路和系統是重要保障。
注意事項：
a. 要選擇質量可靠和品牌電池，這樣電池材料和工藝可以有效保障。
b. 鋰電池一定要帶有保護系統，沒有保護系統的鋰電池禁止使用，另外保護系統設計的合理性和測試可靠的保護系統很重要，要選擇懂電池管理且有鋰電池管理經驗的工廠的鋰電池產品。
c. 使用上我們也應該注意，盡量讓鋰電池遠離火源和高溫環境，盡量避免系統短路或過充過放。
（來源：愛陽動力iYPOWE m.mouzuowen.com）
如果選擇的是正規廠商的電芯和好的保護系統，鋰電池起火或爆炸的概率是非常非常低的。 16. 鋰電池使用的誤區及建議
誤區1：新電池前3次充電要超過12小時
鋰電池出廠前已經激活，不存在要充12個小時的問題，正常使用和充放電就可以了。
誤區2：鋰電池要放光后再充，不要頻繁充，充一次壽命就少一次
鋰電池要避免深充深放，那樣對電池的壽命有影響，盡量不要讓手機或系統用到自動停機，適當給鋰電池補充電量對壽命有幫助，鋰電池的循環壽命是指深充深放一個循環為一個循環壽命，平時的淺充淺放對鋰電池的壽命影響不會太大。
誤區3：鋰電池充滿存儲后，盡量少用對壽命有幫助
鋰電池長時間存儲盡量不要以100%的容量存儲，那樣容量衰減快，另外盡量不要長時間存儲電池，要過一段時間給電池補充一些電量，防止電池過放，嚴重影響鋰電池壽命。
誤區4：充電電路越大，充電越快
鋰電池的充電是恒流恒壓充電方式的，提高恒流充電電流不一定會提高充電速度，很多時候，手機或其他系統都會做限流保護，大于其充電限制電流也沒有用了。
誤區5：鋰電池充滿后就要拔掉充電器，過充危險
現在的鋰電池有多重保護，充電器有保護，電芯本身會保護，保護板會有過充保護、主板上還有會一級保護，不要擔心充滿后過充危險，一旦充滿，保護板會切斷電路，充電就會自動停止。當然由于充電器待機會有電流，及時拔掉充電器對節約用電也是有幫助的。 17. 鋰電池發展趨勢
鋰電池國家發展規劃
“十二五”期末，動力鋰電池能量密度達到200Wh/kg，能量型電池功率密度達到1.2kWh/kg，電池組系統循環壽命達到2000次，鋰電池成本達到1.5RMB/Wh，并形成年產量超過100億Wh的產業規模。 鋰電池材料發展
由于鋰電池屬于電化學領域范疇，不像半導體遵循摩爾定律的發展速度，因此鋰電池的發展速度一直很慢。無論是智能手機還是電動汽車，最大的瓶頸都是續航能力的問題，也就是電池的發展速度沒有跟上電子系統的發展速度。
（來源：愛陽動力iYPOWE m.mouzuowen.com）
如果按照材料來考量，鋰電池的發展趨勢應該如下：
鋰離子電池->全固態鋰電池->鋰空氣電池->石墨烯電池
現在還處在鋰離子電池階段，無論是消費類電池還是動力電池。但估計2020年左右會過渡到全固態鋰電池（這也是是陳立泉院士一直再呼吁的），到時候鋰電池的能量密度會翻一倍，2030年左右會發展到鋰空氣電池，最后隨著石墨烯材料的成熟，鋰電池會發展到石墨烯電池。
大家可以參考下圖（下圖還沒有包括石墨烯電池情況）： 
未來鋰電池的產值將會從消費類慢慢過渡到動力電池，動力電池的飛速發展將很快會超過消費類電池。電動汽車的發展將帶動動力鋰電池的高速發展。 深圳愛陽動力有限公司/SHENZHEN iYPOWER CO., LTD. 愛陽動力，出眾的不僅是動力 m.mouzuowen.com
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