一、電池發(fā)展史

1、電池的誕生：

基于人們對(duì)于獲取持續(xù)而穩(wěn)定的電流的需要。不過，電池的發(fā)明，是來源于一次青蛙的解剖實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的靈感，多少有些偶然。

1780年的一天，意大利解剖學(xué)家伽伐尼（LuigiGalvani）在做青蛙解剖時(shí)，兩手分別拿著不同的金屬器械，無意中同時(shí)碰在青蛙的大腿上，青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到電流的刺激，而如果只用一種金屬器械去觸動(dòng)青蛙，就無此種反應(yīng)。伽伐尼認(rèn)為，出現(xiàn)這種現(xiàn)像是因?yàn)閯?dòng)物軀體內(nèi)部產(chǎn)生的一種電，他稱之為“生物電”。

2、“本生電池”和“格羅夫電池”：

1836年，英國的丹尼爾對(duì)“伏特電堆”進(jìn)行了改良，又陸續(xù)有效果更好的“本生電池”和“格羅夫電池”等問世。然而在當(dāng)時(shí)，無論哪種電池都需在兩個(gè)金屬板之間灌裝液體，搬運(yùn)很不方便，特特別是蓄電池所用液體是硫酸，在挪動(dòng)時(shí)很危險(xiǎn)。

3、干電池的誕生：

干電池在19世紀(jì)中后期誕生。法國的雷克蘭(GeorgeLeclanche)在1860年發(fā)明一種新型電池。它的負(fù)極是鋅和汞的合金棒(鋅－伏特原型電池的負(fù)極，經(jīng)證明是作為負(fù)極材料的最佳金屬之一)，而它的正極是以一個(gè)多孔的杯子盛裝著碾碎的二氧化錳和碳的混合物。在此混合物中插有一根碳棒作為電流收集器。負(fù)極棒和正極杯都被浸在作為電解液的氯化銨溶液中。此系統(tǒng)被稱為“濕電池”。雷克蘭士制造的電池雖然簡陋但卻便宜，到1880年，這種電池被改進(jìn)的“干電池”取代。負(fù)極被改進(jìn)成鋅罐（即電池的外殼），電解液變?yōu)楹隣疃且后w，基本上這就是現(xiàn)在我們所熟知的碳鋅電池。

4、可充電電池：

在干電池技術(shù)的不斷發(fā)展過程中，新的問題又出現(xiàn)了。人們發(fā)現(xiàn)，干電池盡管使用方便、價(jià)格低廉，但用完即廢，無法重新利用。另外，由于以金屬為原料容易造成原材料浪費(fèi)，廢棄電池還會(huì)造成環(huán)境污染。于是，能夠經(jīng)過多次充電放電循環(huán)，反復(fù)使用的蓄電池成為新的方向。

蓄電池的最早出現(xiàn)時(shí)間同樣可以追溯到1860年。當(dāng)年，法國人普朗泰（GastonPlante）發(fā)明出用鉛做電極的電池。這種電池的獨(dú)特之處是，當(dāng)電池使用一段時(shí)間電壓下降時(shí)，可以給它通以反向電流，使電池電壓回升。因?yàn)檫@種電池能充電，并可反復(fù)使用，所以稱它為“蓄電池”。1890年，愛迪生發(fā)明可充電的鐵鎳電池，1910年可充電的鐵鎳電池商業(yè)化生產(chǎn)。

?5、鋰離子電池：

進(jìn)入20世紀(jì)后，電池理論和技術(shù)一度處于停滯狀態(tài)，但在二次世界大戰(zhàn)之后，隨著一些基礎(chǔ)研究在理論上取得突破、新型電極材料的開發(fā)和各類用電器具日新月異的發(fā)展，電池技術(shù)又進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，科學(xué)家首先發(fā)展了堿性鋅錳電池。

進(jìn)入80年代，科學(xué)技術(shù)發(fā)展越發(fā)迅速，對(duì)化學(xué)電源的要求也日益增多、增高。如集成電路的發(fā)展，要求化學(xué)電源必須小型化；電子器械、醫(yī)療器械和家用電器的普及不僅要求化學(xué)電源體積小，而且還要求能量密度高、密封性和貯存性能好、電壓精度高。因此電池池的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向蓄電池，1988年，鎳鎘電池實(shí)現(xiàn)商品化。1992年，鋰離子電池實(shí)現(xiàn)商品化，1999年，聚合物鋰離子蓄電池進(jìn)入市場。

?1956年Energizer.制造第一個(gè)9伏電池；

1956年我國建設(shè)第一個(gè)鎳鎘電池工廠（風(fēng)云器材廠（755廠）；

1960前后UnionCarbide.商業(yè)化生產(chǎn)堿性電池，我國開始研究堿性電池（西安慶華

廠等三家合作研發(fā)）；

1970前后出現(xiàn)免維護(hù)鉛酸電池；

1970前后一次鋰電池實(shí)用化；

1976年P(guān)hilipsResearch的科學(xué)家發(fā)明鎳氫電池；

1980前后開發(fā)出穩(wěn)定的用于鎳氫電池的合金；

1983年我國開始研究鎳氫電池（南開大學(xué)）；

1987年我國改進(jìn)鎳鎘電池工藝，采用發(fā)泡鎳，電池容量提升40％；

1987前我國商業(yè)化生產(chǎn)一次鋰電池；

1989年我國鎳氫電池研究列入國家計(jì)劃；

1990前出現(xiàn)角型（口香糖型）電池；

1990前后鎳氫電池商業(yè)化生產(chǎn)；

1991年Sony.可充電鋰離子電池商業(yè)化生產(chǎn)；

1992年KarlKordesch,JosefGsellmannandKlausTomantschger取得堿性充電電

池專利；

1992年BatteryTechnologies,Inc.生產(chǎn)堿性充電電池；

1995年我國鎳氫電池商業(yè)化生產(chǎn)初具規(guī)模；

1999年可充電鋰聚合物電池商業(yè)化生產(chǎn)；

2000年我國鋰離子電池商業(yè)化生產(chǎn)；

2000后燃料電池，太陽能電池、磷酸鐵鋰電池成為全世界矚目的新能源發(fā)展問題的焦

點(diǎn)，中南大學(xué)處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。

二、鋰離子電池基本原理

1、鋰離子電池的主要組成：

（1）正極——活性物質(zhì)主要指鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰等，導(dǎo)電集流體一般使用厚度在10--20微米的鋁箔；

（2）隔膜——一種特殊的塑料膜，可以讓鋰離子通過，但卻是電子的絕緣體，目前主要有PE和PP兩種及其組合。還有一類無機(jī)固體隔膜，如氧化鋁隔膜涂層就是一種無機(jī)固體隔膜，；

（3）負(fù)極——活性物質(zhì)主要指石墨、鈦酸鋰、或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳材料，導(dǎo)電集流體一般使用厚度在7-15微米的銅箔；

（4）電解液——一般為有機(jī)體系，如溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑，另有些聚合物電池使用凝膠狀電解液；

（5）電池外殼——主要分為硬殼（鋼殼、鋁殼、鍍鎳鐵殼等）和軟包（鋁塑膜）兩種。

2、機(jī)理簡介：

當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，正極的含鋰化合物有鋰離子脫出，鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。負(fù)極的炭材料呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，到達(dá)負(fù)極的鋰離子嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)（即我們使用電池的過程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動(dòng)回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。在鋰離子電池的充放電過程中，鋰離子處于從正極→負(fù)極→正極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就在搖椅兩端來回運(yùn)動(dòng)。所以鋰離子電池又叫搖椅式電池。

2、充放電機(jī)理：

鋰離子電池的充電過程分為兩個(gè)階段：恒流充電階段和恒壓電流遞減充電階段。鋰離子電池過度充放電會(huì)對(duì)正負(fù)極造成永久性損壞。過度放電導(dǎo)致負(fù)極碳片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，而塌陷會(huì)造成充電過程中鋰離子無法插入；過度充電使過多的鋰離子嵌入負(fù)極碳結(jié)構(gòu)，而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來。鋰離子電池保持性能最佳的充放電方式為淺充淺放。一般60%DOD是100%DOD條件下循環(huán)壽命的2~4倍。

3、電池的容量：

電池的容量有額定容量和實(shí)際容量之分。電池的額定容量是指電池在環(huán)境溫度為20℃±5℃條件下，以5h率放電至終止電壓時(shí)所應(yīng)提供的電量，用C5表示。電池的實(shí)際容量是指電池在一定的放電條件下所放出的實(shí)際電量，主要受放電倍率和溫度的影響（故嚴(yán)格來講，電池容量應(yīng)指明充放電條件）。

容量單位：mAh、Ah(1Ah=1000mAh)。

3、電池內(nèi)阻：

電池內(nèi)阻是指電池在工作時(shí)，電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力。有歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻兩部分組成。電池內(nèi)阻值大，會(huì)導(dǎo)致電池放電工作電壓降低，放電時(shí)間縮短。內(nèi)阻大小主要受電池的材料、制造工藝、電池結(jié)構(gòu)等因素的影響。電池內(nèi)阻是衡量電池性能的一個(gè)重要參數(shù)。

4、放電平臺(tái)時(shí)間：

放電平臺(tái)時(shí)間是指在電池滿電情況下放電至某電壓的放電時(shí)間。例對(duì)某三元電池測(cè)量其3.6V的放電平臺(tái)時(shí)間，以恒壓充到電壓為4.2V，并且充電電流小于0.02C時(shí)停止充電即充滿電后，然后擱置10分鐘，在任何倍率的放電電流下放電至3.6V時(shí)的放電時(shí)間即為該電流下的放電平臺(tái)時(shí)間。

因某些使用鋰離子電池的用電器的工作電壓都有電壓要求，如果低于要求值，則會(huì)出現(xiàn)無法工作的情況。所以放電平臺(tái)是衡量電池性能好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

5、充放電倍率：

充放電倍率是指電池在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)放出其額定容量時(shí)所需要的電流值，1C在數(shù)值上等于電池額定容量，通常以字母C表示。如電池的標(biāo)稱額定容量為10Ah，則10A為1C（1倍率），5A則為0.5C，100A為10C，以此類推。

?6、自放電率：

自放電率又稱荷電保持能力，是指電池在開路狀態(tài)下，電池所儲(chǔ)存的電量在一定條件下的保持能力。主要受電池的制造工藝、材料、儲(chǔ)存條件等因素的影響。是衡量電池性能的重要參數(shù)。

7、效率：

充電效率：是指電池在充電過程中所消耗的電能轉(zhuǎn)化成電池所能儲(chǔ)存的化學(xué)能程度的量度。主要受電池工藝，配方及電池的工作環(huán)境溫度影響，一般環(huán)境溫度越高，則充電效率要低。

放電效率是指在一定的放電條件下放電至終點(diǎn)電壓所放出的實(shí)際電量與電池的額定容量之比，主要受放電倍率，環(huán)境溫度，內(nèi)阻等因素影響，一般情況下，放電倍率越高，則放電效率越低。溫度越低，放電效率越低。

8、循環(huán)壽命：

電池循環(huán)壽命是指電池容量下降到某一規(guī)定的值時(shí)，電池在某一充放電制度下所經(jīng)歷的充放電次數(shù)。鋰離子電池GB規(guī)定，1C條件下電池循環(huán)500次后容量保持率在60%以上。

9、電壓高：

單體電池工作電壓高達(dá)3.7V，是鎳鎘電池、鎳氫電池的3倍，鉛酸電池的近2倍，這也是鋰離子動(dòng)力電池比能量高的一個(gè)重要原因。因此組成相同電壓的動(dòng)力電池組時(shí)，鋰離子動(dòng)力電池使用的串聯(lián)數(shù)目會(huì)大大少于鉛酸電池和鎳氫電池。如果動(dòng)力電池中單體電池?cái)?shù)量越多，電池組中單體電池的一致性要求就越高，壽命就越不好做，在實(shí)際使用過程中電池組有問題分析后，一般是其中一、兩個(gè)單體電池出問題然后導(dǎo)致整組電池出現(xiàn)問題，因此不難理解為什么48V的鉛酸電池比36V的鉛酸電池反饋要高，從這個(gè)角度上講鋰電更適合動(dòng)力電池的使用。例如36V的鋰電只需要10個(gè)單體，而36V鉛酸電池需要18個(gè)單體電池，即3只12V的電池組，而每只12V的鉛酸電池有六個(gè)單格即六個(gè)單體電池組成。

10、質(zhì)量比能量大：

鋰離子電池質(zhì)量比能量高達(dá)150Wh/Kg,是鎳氫電池的2倍，鉛酸電池的4倍,因此重量是相同能量的鉛酸電池的三分之一到四分之一，從這個(gè)角度講鋰電消耗的資源就少，而且由于錳酸鋰電池中所用元素的儲(chǔ)量比較多，因此相對(duì)鉛酸、鎳氫電池可能會(huì)進(jìn)一步漲價(jià)，鋰離子動(dòng)力電池成本反而是進(jìn)一步降低的。電動(dòng)自行車用鋰離子電池重量為3-5公斤，鉛酸電池的重量為12-20公斤，鋰電重量約為鉛酸電池的四分之一到三分之一，比鉛酸電池輕約10公斤（36V，10Ah電池），電池重量減輕了70％,整車總重量至少減輕了20％。加上一般鋰電車都是簡易款的電動(dòng)自行車，由于電池和整車輕，相同電壓、相同容量的電池行駛里程更長，普通的電動(dòng)車重量在40公斤以上,而鋰離子動(dòng)力電池電動(dòng)自行車重量在10到26公斤之間。女士和老年人都可以輕易搬動(dòng),人力騎行也十分輕便，運(yùn)動(dòng)休閑兼得。

11、體積比能量大：

鋰離子電池體積比能量高達(dá)到400Wh/L，體積是鉛酸電池的二分之一到三分之一。提供了更合理的結(jié)構(gòu)和更美觀的外形的設(shè)計(jì)條件、設(shè)計(jì)空間和可能性。現(xiàn)階段由于鉛酸電池體積、重量的限制，設(shè)計(jì)師們的設(shè)計(jì)思想受到極大約束，導(dǎo)致現(xiàn)階段的電動(dòng)自行車在結(jié)構(gòu)和外觀上“千車一面”、雷同相似、單調(diào)劃一。而鋰離子電池的使用，給設(shè)計(jì)師們提供了展示設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)風(fēng)格的更大空間及條件。

12、循環(huán)壽命長：

鋰離子電池循環(huán)次數(shù)可達(dá)1000次。以容量保持80%計(jì)，電池組100%充放電循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到500次以上，使用年限可達(dá)3-5年,壽命約為鉛酸電池的兩到三倍。隨著技術(shù)的革新，設(shè)備的提高，電池的壽命會(huì)越來越長，性價(jià)比會(huì)越來越高。

13、自放電率低：

鋰離子電池自放電率每月不到5%。而鎳鎘、鎳氫、鉛酸電池普遍高于20%；

14、無記憶效應(yīng)：

鋰離子電池每次充電前不必像鎳鎘電池、鎳氫電池一樣需要放電，可以隨時(shí)隨地的進(jìn)行充電。

15、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)：

鋰離子動(dòng)力電池可在-20℃～+55℃之間工作，適合低溫使用，而水溶液電池(比如鉛酸電池、鎳氫電池)在低溫時(shí)，由于電解液流動(dòng)性變差會(huì)導(dǎo)致性能大大降低。

16、綠色能源：

鋰離子動(dòng)力電池中不存在有毒物質(zhì)，因此被稱為“綠色電池”，國家重點(diǎn)扶持。而鉛酸電池和鎘鎳電池由于存在有害物質(zhì)鉛和鎘，國家必然會(huì)加強(qiáng)監(jiān)管和治理（鉛酸電池出口退稅的取消，鉛資源稅的增加，鉛酸電動(dòng)自行車出口的受限），相應(yīng)企業(yè)的成本也會(huì)增加。所以鋰離子動(dòng)力電池是電池行業(yè)的發(fā)展方向。