鋰離子電池應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，小到便捷式數(shù)碼產(chǎn)品，智能工具；大到電動(dòng)自行車，電動(dòng)汽車，以及醫(yī)療設(shè)備，軍工/航天等領(lǐng)域，都有鋰離子電池的一席之地。

　　為什么鋰離子電池會(huì)如此受到歡迎？它有哪些優(yōu)點(diǎn)呢？一起來(lái)看看吧。

　　鋰離子電池（Lithium-ion battery）是一種二次可充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作。鋰電池容量單位是“mAh”，比如1000mAh，表示的是1000mA的供電電流可以用1小時(shí)。500mA供電能用2小時(shí)。依此類推。我們先來(lái)看一下鋰離子電池的發(fā)展史：

　　·1970年代，鋰離子電池由斯坦利·惠廷厄姆（Stanley Whittingham）提出。他采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成首個(gè)鋰離子電池，但是電池使用金屬鋰會(huì)存在燃燒爆炸的隱患。

　　·1980年，約翰·古迪納夫（John Goodenough）、水島公一等人在英國(guó)牛津大學(xué)發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的正極材質(zhì)鈷酸鋰（LiCoO₂）。

　　·1982年伊利諾伊理工大學(xué)（the Illinois Institute of Technology）的R.R.Agarwal和J.R.Selman發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性，人們嘗試?yán)娩囯x子嵌入石墨的特性制作充電電池。首個(gè)可用的鋰離子石墨電極由貝爾實(shí)驗(yàn)室試制成功。

　　·1983年M.Thackeray、約翰·古迪納夫等人發(fā)現(xiàn)錳尖晶石是優(yōu)良的正極材料，錳尖晶石具有低價(jià)、穩(wěn)定和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)鋰性能。其分解溫度高，且氧化性遠(yuǎn)低于鈷酸鋰，即使出現(xiàn)短路、過充電，也能夠避免燃燒、爆炸的危險(xiǎn)。雖然純錳尖晶石隨充放電循環(huán)會(huì)變衰弱，但是可以通過材料的化學(xué)改性克服。截至2013年錳尖晶石用于商業(yè)電池。

　　·1985年，日本旭化成的吉野彰運(yùn)用鈷酸鋰開發(fā)電池陰極，徹底消除金屬鋰，完成了首次可商業(yè)化的含鋰堿性鋰離子電池。

　　·1989年，A.Manthiram和古迪納夫發(fā)現(xiàn)采用聚電解質(zhì)的正極將產(chǎn)生更高的電壓，原因是聚電解質(zhì)的電磁感應(yīng)效應(yīng)。

　　·1991年Sony成功開發(fā)并商用鋰離子電池，它的商用，使人們的移動(dòng)電話、筆記本電腦等便捷式電子設(shè)備重量和體積大大減小，使用時(shí)間大大延長(zhǎng)。

其實(shí)，在我們?nèi)粘５纳钪?，常常?huì)將鋰離子電池與以下兩種電池混淆：

　　①鋰電池（Lithium battery），我們常常將鋰離子電池簡(jiǎn)稱為鋰電池，其實(shí)從嚴(yán)格意義上講，鋰電池指的是鋰原電池，內(nèi)含純態(tài)的鋰金屬，是不可充電的一次性電池（遙控器、鐘表等電池）。

　?、阡嚲酆衔镫姵兀↙ithium-ion polymer batteries），利用膠態(tài)或固態(tài)聚合物取代液態(tài)有機(jī)溶劑的可充電鋰離子電池，其安全性較好不會(huì)爆炸，且可以塑造各種不同形狀的電芯，是現(xiàn)在的主流形式電池（手機(jī)、平板等數(shù)碼設(shè)備電池）。

鋰離子電池優(yōu)點(diǎn)如下：

1.實(shí)用性

　　相較于鉛酸電池的制造方法，鋰離子電池故障率要低得多。使用壽命更長(zhǎng)，維護(hù)要求更低，UPS電源采用鋰離子電池很少發(fā)生故障。

　　此外，鋰離子電池通常比鉛酸電池具有更長(zhǎng)的循環(huán)壽命。例如，鉛酸蓄電池通?？梢蕴峁?00次放電循環(huán)，這意味著可以將電池的容量耗盡至其額定值的50％，然后其重新充電至100％，可以達(dá)到200次循環(huán)。但在更換電池之前，鋰電池可以提供500-7000次放電循環(huán)（這取決于所使用的化學(xué)物質(zhì)）。另外，鋰離子電池具有較低的自放電率，在不使用時(shí)自身放電緩慢，具有更長(zhǎng)的保存時(shí)間。

2.重量輕

　　鋰離子電池比鉛酸蓄電池重約三分之一。這樣可以節(jié)省數(shù)據(jù)中心建設(shè)成本，因?yàn)椴恍枰庸痰匕鍋?lái)承受更多的重量。它還節(jié)省了運(yùn)輸成本，因?yàn)榕c鉛酸蓄電池相比，能夠以同樣的成本運(yùn)輸更多的鋰離子電池。

3.體積小

　　鋰離子電池柜的尺寸通常是鉛酸電池柜的一半，達(dá)到相同的容量可節(jié)省50％的占地面積。這使組織可以重新規(guī)劃設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心，以增加IT系統(tǒng)的可用空間。此外，可以節(jié)省新數(shù)據(jù)中心的建設(shè)成本，容納用于儲(chǔ)能的鋰離子電池機(jī)柜的空間可以更小。

4.能量密度高

　　鋰離子電池具有更高的能量密度（Wh/kg，或每千克瓦特小時(shí)）和功率密度（W/kg，或每千克瓦特），按質(zhì)量計(jì)算，可達(dá)150～200Wh/kg(540～720kJ/kg)；按體積計(jì)算，可達(dá)250～530Wh/L(0.9～1.9kJ/cm3)。

5.工作溫度高

　　鋰離子電池可以在30°C（86°F）的溫度下工作，比鉛酸蓄電池高出近10°C。這使組織可以提高數(shù)據(jù)中心的室溫，從而節(jié)省用于冷卻的電能，降低冷卻成本，節(jié)省總體擁有成本（TCO）。此外，鋰離子電池對(duì)溫度變化不太敏感，過高的溫度明顯不會(huì)縮短電池的使用壽命。

6.減少維護(hù)

　　鋰離子電池配有內(nèi)置電池管理系統(tǒng)（BMS），可提供自動(dòng)狀態(tài)、故障監(jiān)控、電池平衡、電源優(yōu)化和外部通信等監(jiān)測(cè)和維護(hù)功能。電池管理系統(tǒng)（BMS）使數(shù)據(jù)中心設(shè)施工程師能夠更輕松地監(jiān)控電池的運(yùn)行時(shí)間和健康狀況，降低人工和維護(hù)成本，并顯著降低電池組故障的風(fēng)險(xiǎn)。

7.充電快速

　　鋰離子電池在大約兩小時(shí)內(nèi)完全充電，而鉛酸電池在大約24小時(shí)內(nèi)完全充電。更快的充電時(shí)間意味著鋰離子電池能夠更好地處理多個(gè)電力中斷情況。（例如，如果在24小時(shí)內(nèi)有多次斷電，鋰離子電池可以更快地充電，為每次斷電提供完整后備供電時(shí)間。）

8.環(huán)境優(yōu)勢(shì)

　　鋰離子電池的碳足跡為鉛酸電池的三分之一，并且更具有環(huán)保性。

鋰離子電池缺點(diǎn)：

　　1.生產(chǎn)成本較高。主要表現(xiàn)在正極材料 LiCoO₂ 的價(jià)格高；（Co 的資源較少），電解質(zhì)體系提純困難。

　　2.鋰離子電池不能大電流放電。由于有機(jī)電解質(zhì)體系等原因，電池內(nèi)阻相對(duì)其他類電池大。故要求較小的放電電流密度，一般放電電流在 0.5C 以下，只適合于中小電流的電器使用。

　　3.需要保護(hù)線路控制。

　　a.過充保護(hù)：電池過充將破壞正極結(jié)構(gòu)而影響性能和壽命；同時(shí)過充電使電解液分解，內(nèi)部壓力過高而導(dǎo)致漏液等問題；故必須在 4.1V - 4.2V 的恒壓下充電；

　　b.過放保護(hù)：過放會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池活性物質(zhì)的恢復(fù)困難，故也需要有保護(hù)線路控制。

鋰離子電池組成：

　　1.正極材料：可選的正極材料有很多，目前主流產(chǎn)品多采用鋰鐵磷酸鹽。不同的正極材料對(duì)照：

　　正極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子嵌入，充電時(shí)鋰離子脫嵌。

　　充電時(shí)：LiFePO₄ → Li_1-xFePO₄ + xLi⁺ + xe⁻

　　放電時(shí)：Li_1-xFePO₄ + xLi⁺ + xe⁻ → LiFePO₄

　　2.負(fù)極材料：多采用石墨。新的研究發(fā)現(xiàn)鈦酸鹽可能是更好的材料。

　　負(fù)極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子脫插，充電時(shí)鋰離子插入。

　　充電時(shí)：xLi⁺ + xe⁻ + 6C → Li_xC₆

　　放電時(shí)：Li_xC₆ → xLi⁺ + xe⁻ + 6C

　　3.電解質(zhì)溶液：常采用鋰鹽，如高氯酸鋰(LiClO₄)、六氟磷酸鋰(LiPF₆)、四氟硼酸鋰(LiBF₄)。

　　溶劑：電池的工作電壓遠(yuǎn)高于水的分解電壓，因此鋰離子電池常采用有機(jī)溶劑，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有機(jī)溶劑常常在充電時(shí)破壞石墨的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其剝脫，并在其表面形成固體電解質(zhì)膜(solid electrolyte interphase，SEI)導(dǎo)致電極鈍化。有機(jī)溶劑還帶來(lái)易燃、易爆等安全性問題。

　　在冰箱中放置壽命縮短的電池時(shí)，性能會(huì)恢復(fù)嗎？

　　這個(gè)其實(shí)沒有科學(xué)依據(jù)。日常生活中使用的電池是化學(xué)電池，建議在使用時(shí)在10到60度的環(huán)境中使用，在存放時(shí)使用低溫。即使電池放電，內(nèi)部仍會(huì)留有少量能量。即使設(shè)備最初不起作用，剩余的能量也可以平衡并使用一些量。這就是為什么當(dāng)汽車電池耗盡并啟動(dòng)時(shí)，需要一段時(shí)間才能再次等待。如果將電池放在冰箱中，則自放電電阻在達(dá)到平衡時(shí)降低，并且可以獲得更多的能量。

　　當(dāng)二次電池長(zhǎng)時(shí)間不使用時(shí)，也可以在充滿電并密封后將其存放在冰箱中。可以減少自放電并且可以防止電解質(zhì)的干燥。然而，冷凍狀態(tài)不會(huì)影響這種變化，并且它可以凍結(jié)電池中的電解質(zhì)并使性能變差。

　　看了以上文章，大家也應(yīng)該了解了鋰離子電池為什么如此受到歡迎的真正原因，相對(duì)于其他電池，鋰離子電池優(yōu)點(diǎn)也很明顯，這也是其應(yīng)用廣泛的原因。

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