动力电池系统介绍（一）

一、锂离子电池材料组成1.1 正极材料1.2 负极材料1.3 电解液1.3.1 电解质1.4 隔膜1.5 集流体材料二、锂离子充放电过程2.1 充电过程2.2 放电过程2.3 不可逆消耗及其安全性

一、锂离子电池材料组成

锂离子电池是新能源汽车目前使用最普遍的动力电池，主要由正极材料、负极材料隔膜和电解液等构成。

1.1 正极材料

正极材料在锂电池中的总成本占据40%以上的比例，并且其性能直接影响了锂电池的各项性能指标，所以征集材料在锂电池中占据核心地位，征集材料的性能和价格等是制约锂电池进一步向高能量长寿命和低成本发展的瓶颈，发展高能锂离子电池的关键技术之一是正极材料的开发。

锂钴氧化物：也被称做钴酸锂（LiCoO2）,是目前市场上应用最广泛的正极材料之一。LiCoO2具有二维层状结构，适合锂离子的脱嵌，其理论容量为274mAh/g，但在实际应用中，由于结构稳定的限制，最多把晶格中的一般锂离子脱出，因此实际比容量为140mAh/g左右，其平均工作电压高达3.7V。锂钴氧化物一般采用高温固相法制备。该种方法工艺简单，容易操作，适宜量产。由于锂钴氧化物制备容易，而且具有电化学性能高、循环性能好、性能稳定以及充放电性能优良等优点，所以他是最早被规模化用于利电子的正极材料。锂镍氧化物：也被称做镍酸锂（LiNiO2），锂镍氧化物的结构为立方岩盐，与锂钴氧化物相同，但其价格比锂钴氧化物更低。它的理论容量为276mAh/g，实际比容量为140-180mAh/g，工作电压范围为2.5V~4.2V。锂镍氧化物拥有高温稳定性好，自放电率低，无过充电及过放电限制、无污染等优点。此外，它还是目前研究的正极材料中实际放电容量较高的。但由于要求其在富氧气氛下合称，工艺条件控制要求较高且已生成非计量化合物，条件苛刻，制备困难，所以作为锂电池的正极材料使用的并不多。锂锰氧化物：按照结构分为LiMnO2和尖晶石型LiMn2O4两种，LiMnO2属于正交晶系，岩盐结构，氧原子呈扭变四方密维结构分布，理论比容量达到286mAh/g，充放电范围为2.5V-4.3V，LiMn2O~4属于尖石型结构，立方晶系，可以产生4.0V的高电压平台，理论容量为148mAh/g，与锂钴氧化物容量接近。使用锂锰氧化物作为正极材料生产的电池，安全性好，耐过充放电。锂铁氧化物：LiFePO4，橄榄石型结构，属于正交晶系。锂铁氧化物理论比容量为170mAh/g，理论电压为3.5V。它充放电前后结构变化小，循环性能好，高温稳定性好，并且在室温条件下充放电可接近理论容量、缺点是在高倍率下极化大，可逆容量下降快，且不能进行大电流充放电。镍钴锰复合氧化物(三元）：由于引入镍钴锰，所以存在明显的三元协同效应。Ni—有效提高其材料容量；Co—其层状结构得到明显的稳定；Mn—降低材料成本，提高安全性；三元正极材料的充放电平台高，性能更佳，但需要注意其混合比例。

1.2 负极材料

负极材料在充电过程中，锂离子和电子的载体，起着能量的储存与释放的作用。在电池成本中，负极材料约占5%~15%，是锂离子电池的重要原材料之一。

石墨类负极：。石墨理论容量为372mAh/g，但是所有碳素材料在经过首次充电时都会存在由于副反应带来的不可逆容量损失，随着负极电位的降低，直到电解液中成分在负极表面形成一种稳定的钝化膜（SEI）而停止。虽然石墨的低电位、与电解质形成界面膜、离子迁移速度慢导致充放电倍率较低，层状结构的石墨在锂离子嵌入和脱嵌会发生10%左右是形变，影响电池寿命。但目前为止，石墨仍是应用最广的负极材料硅：硅的理论容量值高达4200mAh/g，是目前发现理论容量最高的负极材料，前景广阔。硅的电压平台比石墨高，充电时不易析锂，同时安全性能也较高，资源丰富。但是，在充放电过程中，硅的充放电机理与石墨不同，它是合金化反应，伴随着大的体积变化，造成材料结构的破坏和机械化，导致电极材料与集流体的分离，进而失去电接触，导致容量迅速衰减，循环性能恶化。由于剧烈的体积效应，硅表面的SEI膜处于破坏-重构的动态过程中，会造成特殊的锂离子消耗，进一步破坏循环性能。

3.钛酸锂：锂金属负极，虽然具有较高的容量，但是其存在的固有的锂枝晶等安全问题依然无法解决。

1.3 电解液

锂电池电解液是电池中离子传输的载体，电解液在锂电池正负极之间起到传导离子的作用，是锂离子电池获得高电压、高比能等优点的保证。在锂电池成本中占比约15%.

液体电解液：无机/有机液体电解液固体电解液：无机/有机固体电解液（纯固体聚合物/凝胶聚合物）熔盐电解质：现在市场广泛使用的是电解质锂盐。电解质锂盐要求易溶于有机溶质，易于解离，以保证电解液有较好的的电导率；具有较好的电化学和化学稳定性；具有环境友好性，分解产物对环境影响较小；易于制备和纯化，且嘉和较便宜。目前最常用的是六氟磷酸锂（LiPF6）。

1.3.1 电解质

电解质中需要加入添加剂改善电池性能：

1）成膜添加剂：优良的SEI膜（固体电解质薄膜）具有有机溶剂不溶性，允许锂离子自由的进出电极而溶剂分子无法穿越，从而阻止溶剂分子共插对电极破坏，提高电池的循环效率和可逆容量等性能。

2）导电添加剂：对提高电解液到店鞥里的添加剂的研究主要着眼于提高导电锂盐的溶解和电离以及防止溶剂共插对电极的破坏。

3）阻燃添加剂：在电池中添加一些高沸点。高闪点和不易燃的溶剂可提高电池的稳定性，改善电池的安全性。

4）过充保护添加剂：通过在电解液中添加合适的氧化还原对，在正常充电时这个氧化还原对不参加任何化学或电化学反应，而当电池充满电或略高于该值时，添加剂开始在正极上氧化，然后扩散到负极发生还原反应，从而防止电池过充。

5）改善低温的添加剂：低温性能为拓宽锂离子电池适用范围的重要因素之一，通过添加剂使电池在低温下也具有优良的循环性能。

1.4 隔膜

隔膜在正负极之间起电子绝缘、提供锂离子迁移微孔通道的作用，是保证电池体系安全、影响电池性能的关键材料。尽管隔膜不直接参与电极反应，但它影响电池动力学过程，决定着电池的充放电、循环寿命、倍率等性能。

给电池提供安全保障是从隔膜制造材料的基本属性体现的，安全性要求决定着隔膜必须具有出众的绝缘性、机械强度、化学稳定性、电化学稳定性和热稳定性。因此，制造隔膜的材料智能从绝缘性好、具有良好的成膜性能、力学性能和易加工的聚合物及其复合材料中选择。目前已商品化的主流材料是聚丙烯微孔膜和聚乙烯微孔膜。

1.5 集流体材料

锂离子电池集流体的主要材料是金属箔（如铜箔、铝箔），主要作用是为电化学反应提供电子通道，加快电荷转移，减少电化学极化，提高充放电效率；通俗来说其功用是将电池活性物质产生的电流汇集起来，以便形成较大的电流输出，因此集流体应与活性物质充分接触，并且内阻应尽可能小，这也是锂离子电池为什么选用价格较高的铜箔和铝箔的主要原因。

铜箔具有良好的导电性、柔韧性和适中的电位，耐卷绕和碾压，生产技术较成熟，因而成为锂离子电池负极集流体的首选材料。铜箔在锂离子电池中既是负极活性材料的载体，优势负极电子的收集与传导体，因此对其有特殊的技术要求，即必须具有良好的导电性，表面能均匀地涂覆负极材料而不脱落，并且具有良好的耐腐蚀性。

锂离子电池使用铝箔作为正极集流体和软包装铝塑膜的阻隔层。与铜箔工艺要求相似。

二、锂离子充放电过程

锂离子电池实质上是一种锂离子浓度差电池，经过Li离子在正负极间的往返嵌入和脱嵌形成充电和放电过程。

2.1 充电过程

Li离子正极脱嵌后经过电解质与隔膜嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿从外电路供给到碳负极，保持负极的电平衡；

2.2 放电过程

放电过程与充电过程相反，Li离子从负极脱嵌，经过电解质和隔膜回到正极，正极处于富锂态，而此时电子从负极流出，通过铜箔汇集成电流供外电路使用。

2.3 不可逆消耗及其安全性

理想充放电情况下，不会破坏正负极材料的晶体结构，也不会有材料的损失，也就是说锂离子电池反应是理想的可逆的电化学反应。

但是，实际上锂离子电池几乎每时每刻都存在着对电池材料的不可逆消耗：电解液分解、活性物质的溶解、金属锂沉积等……这些消耗经过多次的累积，会减少电池的容量，影响电池的充放电性能，甚至影响锂离子电池的安全使用。例如，锂离子电池在热冲击、过充过放或短路等极端情况下，内部的活性物质及电解液等将发生激烈的电化学反应，产生大量的热量和气体，极有可能造成热失控的严重后果。

因此，在锂电池选材需要谨慎考量。与此同时，在电池的使用过程中，还需对其进一步的监控管理，也就是所谓的动力电池管理系统BMS(battery management system)，以后再细细说来。