跟大家分享一个很重要的干货，不同锂电池的工作原理你知道吗？

　　＂锂电池＂，是一类由锂金属或锂合金为 负极 材料、使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世纪70年代时，M. S. Whittingham提出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。随着科学技术的发展，现在锂电池已经成为了主流。
　　锂电池大致可分为两类：锂金属电池和 锂离子 电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生，其安全性、 比容量 、 自放电率 和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制，现在只有少数几个国家的公司在生产这种锂金属电池。 工作原理
　　锂金属电池：
　　锂金属电池一般是使用二氧化锰为 正极 材料、金属锂或其合金金属为 负极 材料、使用非水 电解质溶液 的电池。
　　锂电池基本原理
　　放电反应：Li+MnO2=LiMnO2
　　锂离子电池：
　　锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为 正极 材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。
　　充电正极上发生的反应为
　　LiCoO2==Li(1-x)CoO2 + XLi+ + Xe-(电子)
　　充电负极上发生的反应为
　　6C + XLi+ + Xe- = LixC6
　　充电电池总反应：LiCoO2 + 6C = Li(1-x)CoO2 + LixC6
　　正极
　　正极材料：可选的正极材料很多，主流产品多采用锂铁磷酸盐。不同的正极材料对照：
　　LiCoO2
　　3.7 V
　　140 mAh/g
　　Li2Mn2O4
　　4.0 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
　　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：放电时锂离子脱嵌，充电时锂离子嵌入。
　　充电时：xLi+ + xe- + 6C → LixC6
　　放电时：LixC6 → xLi+ + xe- + 6C 早期研发
　　锂电池最早期应用在心脏起搏器中。锂电池的自放电率极低，放电电压平缓等优点，使得植入人体的起搏器能够长期运作而不用重新充电。锂电池一般有高于3.0伏的标称电压，更适合作集成电路电源。二氧化锰电池，就广泛用于计算器，数码相机、手表中。
　　为了开发出性能更优异的品种，人们对各种材料进行了研究，从而制造出前所未有的产品。
　　1992年Sony成功开发锂离子电池。它的实用化，使人们的移动电话、笔记本、计算器等携带型电子设备的重量和体积大大减小。 发展进程
　　1、1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为 负极 材料，制成首个锂电池。
　　2、1980年，J. Goodenough 发现钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料。
　　3、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。
　　4、1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料，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。
　　5、1989年，A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。
　　6、1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。
　　7、1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸锂铁(LiFePO4)，比传统的正极材料更具优越性，因此已成为当前主流的正极材料。
　　随着数码产品如手机、笔记本电脑等产品的广泛使用，锂离子电池以优异的性能在这类产品中得到广泛应用，并在逐步向其他产品应用领域发展。1998年，天津电源研究所开始商业化生产锂离子电池。习惯上，人们把锂离子电池也称为锂电池，但这两种电池是不一样的。锂离子电池已经成为了主流。 种类
　　代号
　　化学成份分类
　　正极
　　电解液
　　负极
　　公称电压
　　附注
　　B
　　锂-氟化石墨电池
　　氟化石墨(一种氟化碳)
　　非水系有机电解液
　　锂
　　3.0V
　　C
　　锂-二氧化锰电池
　　热处理过的二氧化锰
　　高氯酸锂非水系有机电解液
　　锂
　　3.0V
　　最常见的一次性3V锂电池，常简称锂锰电池
　　E
　　锂-亚硫酰氯电池
　　亚硫酰氯
　　四氯铝化锂非水系有机电解液
　　锂
　　3.6V或3.5V
　　F
　　锂-硫化铁电池
　　硫化铁
　　非水系有机电解液
　　锂
　　1.5V
　　可用来替代一般1.5V碱性电池，常简称锂铁电池
　　G
　　锂-氧化铜电池
　　氧化铜
　　非水系有机电解液
　　锂
　　1.5V
　　电池材料
　　碳负极材料
　　已经实际用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料，如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。
　　锡基负极材料
　　锡基负极材料可分为锡的氧化物和锡基复合氧化物两种。氧化物是指各种价态金属锡的氧化物。没有商业化产品。
　　合金类
　　包括锡基合金、硅基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金和其它合金 ，也没有商业化产品。
　　纳米级
　　纳米碳管、纳米合金材料。
　　纳米氧化物
　　目前根据2009年锂电池新能源行业的市场发展最新动向，诸多公司已经开始使用纳米氧化钛和纳米氧化硅添加在以前传统的石墨，锡氧化物，纳米碳管里面，极大地提高锂电池的充放电量和充放电次数。
　　电池电池鼓壳
　　外壳特性
　　锂，原子序数3，原子量6.941，是最轻的碱金属元素。为了提升安全性及电压，科学家们发明了用石墨及钴酸锂等材料来储存锂原子。这些材料的分子结构，形成了纳米等级的细小储存格子，可用来储存锂原子。这样一来，即使是电池外壳破裂，氧气进入，也会因氧分子太大，进不了这些细小的储存格，使得锂原子不会与氧气接触而避免爆炸。
　　保护措施
　　锂电池芯过充到电压高于 4.2V 后，会开始产生副作用。过充电压愈高，危险性也跟着愈高。锂电芯电压 高于 4.2V 后， 正极材料内剩下的锂原子数量不到一半， 此时储存格常会垮掉， 让电池容量产生永久性的下降。 如果继续充电，由于负极的储存格已经装满了锂原子，后续的锂金属会堆积于负极材料表面。这些锂原子会 由负极表面往锂离子来的方向长出树枝状结晶。这些锂金属结晶会穿过隔膜纸，使正负极短路。有时在短路 发生前电池就先爆炸，这是因为在过充过程，电解液等材料会裂解产生气体，使得电池外壳或压力阀鼓涨破 裂，让氧气进去与堆积在负极表面的锂原子反应，进而爆炸。
　　因此，锂电池充电时，一定要设定电压上限， 才可以同时兼顾到电池的寿命、容量、和安全性。最理想的充电电压上限为 4.2V。 锂电芯放电时也要有电压下限。 当电芯电压低于 2.4V 时， 部分材料会开始被破坏。 又由于电池会自放电， 放愈久电压会愈低，因此，放电时最好不要放到 2.4V 才停止。锂电池从 3.0V 放电到 2.4V 这段期间，所释放 的能量只占电池容量的 3%左右。因此，3.0V 是一个理想的放电截止电压。 充放电时，除了电压的限制，电流的限制也有其必要。电流过大时，锂离子来不及进入储存格，会聚集 于材料表面。
　　这些 锂离子 获得电子后，会在材料表面产生锂原子结晶，这与过充一样，会造成危险性。万一 电池外壳破裂，就会爆炸。 因此，对锂离子电池的保护，至少要包含：充电电压上限、放电电压下限、及电流上限三项。一般锂电 池组内，除了锂电池芯外，都会有一片保护板，这片保护板主要就是提供这三项保护。但是，保护板的这三 项保护显然是不够的，全球锂电池爆炸事件还是频传。要确保电池系统的安全性，必须对电池爆炸的原因， 进行更仔细的分析。 爆炸原因
　　1、内部极化较大；
　　2、极片吸水，与电解液发生反应气鼓；
　　3、电解液本身的质量、性能问题；
　　4、注液时候注液量达不到工艺要求；
　　5、装配制程中激光焊接密封性能差，测漏气时漏气；
　　6、粉尘、极片粉尘首先易导致微短路；
　　7、正负极片较工艺范围偏厚，入壳难；
　　8、注液封口问题，钢珠密封性能不好导致气鼓；
　　9、壳体来料存在壳壁偏厚，壳体变形影响厚度；
　　10、外面环境温度过高也是导致爆炸的主要原因。 爆炸类型
　　爆炸类型分析电池芯爆炸的类形可归纳为外部短路、内部短路、及过充三种。此处的外部系指电芯的外部，包含了电 池组内部绝缘设计不良等所引起的短路。 当电芯外部发生短路，电子组件又未能切断回路时，电芯内部会产生高热，造成部分电解液 汽化 ，将电池外壳撑大。当电池内部温度高到 135 摄氏度时，质量好的隔膜纸，会将细孔关闭，电化学反应终止或近乎 终止，电流骤降，温度也慢慢下降，进而避免了爆炸发生。但是，细孔关闭率太差，或是细孔根本不会关闭 的隔膜纸，会让电池温度继续升高，更多的电解液汽化，最后将电池外壳撑破，甚至将电池温度提高到使材 料燃烧并爆炸。 内部短路主要是因为铜箔与铝箔的毛刺穿破隔膜，或是锂原子的树枝状结晶穿破膈膜所造成。
　　电池
　　这些细小的针状金属，会造成微短路。由于，针很细有一定的电阻值，因此，电流不见得会很大。铜铝箔毛刺系在生 产过程造成，可观察到的现象是电池漏电太快，多数可被电芯厂或是组装厂筛检出来。而且，由于毛刺细小， 有时会被烧断，使得电池又恢复正常。因此，因毛刺微短路引发爆炸的机率不高。 这样的说法，可以从各电芯厂内部都常有充电后不久，电压就偏低的不良电池，但是却鲜少发生爆炸事 件，得到统计上的支持。因此，内部短路引发的爆炸，主要还是因为过充造成的。
　　因为，过充后极片上到处 都是针状锂金属结晶，刺穿点到处都是，到处都在发生微短路。因此，电池温度会逐渐升高，最后高温将电 解液气体。这种情形，不论是温度过高使材料燃烧爆炸，还是外壳先被撑破，使空气进去与锂金属发生激烈 氧化，都是爆炸收场。 但是过充引发内部短路造成的这种爆炸，并不一定发生在充电的当时。有可能电池温度还未高到让材料 燃烧、产生的气体也未足以撑破电池外壳时，消费者就终止充电，带手机出门。这时众多的微短路所产生的 热，慢慢的将电池温度提高，经过一段时间后，才发生爆炸。消费者共同的描述都是拿起手机时发现手机很 烫，扔掉后就爆炸。
　　综合以上爆炸的类型，我们可以将防爆重点放在 过充的防止、外部短路的防止、及提升电芯安全性三方面。其中过充防止及外部短路防止属于电子防护，与电池系统设计及电池组装有较大关系。电芯安全性提升 之重点为化学与机械防护，与电池芯制造厂有较大关系。 设计规范
　　由于全球手机有数亿只，要达到安全，安全防护的失败率必须低于一亿分之一。由于，电路板的故障率 一般都远高于一亿分之一。因此，电池系统设计时，必须有两道以上的安全防线。常见的错误设计是用充电器(adaptor)直接去充电池组。这样将过充的防护重任，完全交给电池组上的保护板。虽然保护板的故障率不高，但是，即使故障率低到百万分之一，机率上全球还是天天都会有爆炸事故发生。 电池系统如能对过充、过放、过电流都分别提供两道安全防护，每道防护的失败率如果是万分之一，两道防护就可以将失败率降到一亿分之一。
　　常见的电池充电系统方块图如下，包含充电器及电池组两大部分。 ①充电器又包含适配器(Adaptor)及充电控制器两部分。适配器将交流电转为直流电，充电控制器则限制直流 电的最大电流及最高电压。②电池组包含保护板及电池芯两大部分，以及一个 PTC 来限定最大电流。适配器交流变直流作用：电控制器限流限压。充电器作用: 保护板过充、 过放、过流等防护。
　　电池组作用: 限流片。电池芯以手机电池系统为例，过充防护系 统利用充电器输出电压设定在 4.2V 左右，来达到第一层防护，这样就算电池组上的保护板失效，电池也不会被过充而发生危险。第二道防护是保护板上的过充防护功能，一般设定为 4.3V。这样，保护板平常不必负责 切断充电电流，只有当充电器电压异常偏高时，才需要动作。过电流防护则是由保护板及限流片来负责，这 也是两道防护，防止过电流及外部短路。由于过放电只会发生在电子产品被使用的过程。因此，一般设计是 由该电子产品的线路板来提供第一道防护，电池组上的保护板则提供第二道防护。当电子产品侦测到供电电压低于 3.0V 时，应该自动关机。如果该产品设计时未设计这项功能，则保护板会在电压低到 2.4V 时，关闭 放电回路。
　　总论：电池系统设计时，必须对过充、过放、与过电流分别提供两道电子防护。 把保护板拿掉后充电，如果电池会爆炸就代表设计不良。 上述方法虽然提供了两道防护，但是由于消费者在充电器坏掉后，常会买非原厂充电器来充电，而充电 器业者，基于成本考虑，常将充电控制器拿掉，来降低成本。结果，劣币驱逐良币，市面上出现了许多劣质 充电器。这使得过充防护失去了第一道也是最重要的一道防线。而过充又是造成电池爆炸的最重要因素，因 此，劣质充电器可以称得上是电池爆炸事件的元凶。 当然，并非所有的电池系统都采用如上图的方案。在有些情况下，电池组内也会有充电控制器的设计。
　　锂电池
　　例如：许多笔记型计算机的外加电池棒，就有充电控制器。这是因为笔记型计算机一般都将充电控制器做在 计算机内，只给消费者一个适配器。因此，笔记型计算机的外加电池组，就必须有一个充电控制器，才能确保外加电池组在使用适配器充电时的安全。另外，使用汽车点烟器充电的产品，有时也会将充电控制器做在 电池组内。
　　最后的防线：如果电子的防护措施都失败了，最后的一道防线，就要由电芯来提供了。电芯的安全层级， 可依据电芯能否通过外部短路和过充来大略区分等级。由于，电池爆炸前，如果内部有锂原子堆积在材料表 面，爆炸威力会更大。而且，过充的防护常因消费者使用劣质充电器而只剩一道防线，因此，电芯抗过充能 力比抗外部短路的能力更重要。 铝壳电芯与钢壳电芯安全性比较，铝壳具有很高的安全优势。