第1章 锂离子电池与管理系统概述
1.1 锂离子电池简介
1.1.1 特点与优势
锂离子电池是一种将电能与化学能相互转化并且可重复使用的电池，它不像镍镉电池那样对环境有严重污染，也不像铅酸电池那样低的比容量，更不像燃料电池那样需要配备辅助电池系统，循环寿命远远高于其他类型电池，并且无记忆效应，因此使用范围相当广泛。同时，由于具有高能量密度、低自放电率、寿命长、性价比高、可快速充电及绿色环保等特点，锂离子电池逐渐成为新能源汽车的主要动力源。
锂离子电池组采用化学反应来实现能量的储存与释放，在充放电过程中，内部相互连接的各电池单体正负极发生氧化还原反应。相对于其他类型电池，锂离子电池具有以下显著的优点。
（1）工作电压高 钴酸锂类型锂离子电池的工作电压为3.6V，锰酸锂类型锂离子电池的工作电压为3.7V，磷酸铁锂类型锂离子电池的工作电压为3.2V，而镍氢、镍镉电池的工作电压仅为1.2V。
（2）比能量高 重量比能量，简称比能量，是电池的重要参数之一。锂离子电池正极材料的理论比能量可达200W·h/kg以上，实际应用中由于不可逆容量损失，比能量通常低于这个数值，但也可达140W·h/kg，该数值仍为镍镉电池的3倍，镍氢电池的1.5倍。
（3）循环寿命长 锂离子电池在深度放电情况下，循环次数可达1000次以上；在低放电深度条件下，循环次数可达上万次，其性能远远优于其他类型电池。
（4）自放电小 锂离子电池的月自放电率仅为总电容量的5%～9%，大大缓解了传统电池放置时由自放电所引起的电能损失问题。
（5）环保性高 相对于传统的铅酸电池、镍镉电池，甚至镍氢电池废弃可能造成的环境污染问题，锂离子电池中不包含汞、铅、镉等有害元素，是真正意义上的绿色电池。
近年来，锂离子电池的工作性能得到不断提高，这主要是因为其内部正极、隔膜、负极和电解液材料的不断改进。同时，生产工艺和其他因素的改良也同样起到了非常重要的作用。其工作性能的不断提高，使得锂离子电池成为主要的可充电动力电池。
1.1.2 基本类型
锂离子电池主要用在新能源汽车、无人机等动力应用场景中，内阻小，充放电速度快，一般能达到3～5C（电流倍率）。同时，也可用于不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）等储能应用场景中，内阻比较大，充放电速度较慢，一般为0.5～1C。根据所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为液态锂离子电池（Lithium-ion Battery，LIB）和聚合物锂离子电池（Polymer Lithium-ion Battery，LIP）两大类。电池结构通常包括电池正极、负极、电解溶液、隔膜以及外包装等。锂离子电池因生产材料的差异导致在性能上存在一些差别，几种锂离子电池的性能比较见表1-1。
表1-1 几种锂离子电池的性能比较
聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子电池是相同的，电池的工作原理也基本一致。它们的主要区别在于电解质的不同，液态锂离子电池使用的是液体电解质，而聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替，这种聚合物可以是“干态”的，也可以是“胶态”的，目前大部分采用聚合物胶态电解质。聚合物锂离子电池可分为三类：
（1）固体聚合物电解质锂离子电池 电解质为聚合物与盐的混合物，这种电池在常温下的离子电导率低，适于高温使用。
（2）凝胶聚合物电解质锂离子电池 即在固体聚合物电解质中加入增塑剂等添加剂，从而提高离子电导率，使电池可在常温下使用。
（3）聚合物正极材料锂离子电池 采用导电聚合物作为正极材料，其比能量是现有锂离子电池的3倍，是最新一代的锂离子电池。
由于用固体电解质代替了液体电解质，与液态锂离子电池相比，聚合物锂离子电池具有可薄形化、任意面积化与任意形状化等优点，也不存在漏液与燃烧爆炸等安全隐患，因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳，从而提高整个电池的比容量；聚合物锂离子电池还可以采用高分子作为正极材料，其比能量将会比目前的液态锂离子电池提高50%以上。此外，聚合物锂离子电池在工作电压、充放电循环寿命等方面都比普通锂离子电池有所提高。基于以上优点，聚合物锂离子电池被誉为下一代锂离子电池。
锂离子电池正极材料体系主要有钴酸锂、磷酸铁锂、镍酸锂和锰酸锂等，其中，工程应用范围最广、应用技术最成熟的正极材料是钴酸锂材料。目前国外在动力航天领域应用的是镍酸锂材料和钴酸锂材料两种体系，其中法国SAFT公司使用的是镍酸锂材料，日本使用的是钴酸锂材料。镍酸锂材料具有比能量高、储存性能优异等特点，但其安全性是几种材料中最差的；磷酸铁锂的比能量低、低温性能差；锰酸锂材料在高温使用时寿命较短。
1.1.3 工作原理
锂离子电池是指分别用两个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的电池，是一种充电电池，它主要依靠锂离子（Li+）在正极和负极之间的移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极中锂原子电离成Li+和电子，并且Li+向正极运动与电子合成锂原子，负极处于富锂状态；放电时则相反，锂原子从石墨晶体内的正极表面电离成Li+和电子，并在负极处合成锂原子。在该电池中的锂永远以Li+的形态出现，不会以金属锂的形态出现，所以这种电池叫作锂离子电池。
锂离子电池的工作原理即为其充放电原理。当对电池进行充电时，电池的正极上有Li+生成，生成的Li+经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的Li+就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的Li+越多，充电容量越高。同样道理，当对电池进行放电时，嵌在负极碳层中的Li+脱嵌，又运动回到正极，回到正极的Li+越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量，指的就是放电容量。在锂离子电池的工作过程中，Li+在正负极之间反复进行脱嵌和嵌入。当锂离子电池用于动力供应过程时，两个电极连接到负载用电设备，进而通过这些负载设备形成回路。在锂离子电池的充电过程中，Li+从正极向负极移动，锂离子电池负极逐渐趋于富锂态，而其正极逐渐趋于贫锂态。当锂离子电池处于动力供应状态时，两个电极通过外部设备连接并提供电能，实现了能量的可逆储存和释放。在充放电过程中，钴酸锂电池的正极、负极和总反应化学反应方程式为
磷酸铁锂离子电池的正极材料主要为LiFePO4，提供Li+作为能量的传输介质，通过耳铝箔与电池正极相连；电池负极通过耳铜箔与碳相连，隔膜将电池正负极隔开，只允许Li+穿过，自由电子无法通过隔膜。电池充电状态下，Li+从正极中脱嵌，LiFePO4转变为Li（1-x）FePO4、Li+和自由电子，Li+到达负极与碳结合，形成LixC6。放电过程为其逆反应，详细化学反应方程式为
由上述分析可知，在锂离子电池内部，存在Li+的嵌入和脱嵌、通过隔膜以及在电解液中移动等过程，由此而引入的内阻、极化和老化等因素，会对荷电状态（State of Charge，SOC）估算造成影响，需要在等效模型构建和SOC估算过程中予以考虑。锂离子电池可循环充放电的原理在于其正负两极间Li+的不断运动。当锂离子电池处于充电状态时，电池正极的Li+从正极脱嵌向负极游走，以电解液为传导介质嵌入负极，此时电池负极Li+呈现富余状态，而正极Li+呈现稀缺状态；当锂离子电池处于放电状态时，电池负极的Li+又从负极脱嵌向正极游走，经过电解液嵌入电池正极，使电池正极Li+呈现富余状态，而负极Li+呈现稀缺状态。Li+游走的过程中伴随着能量的转化：电池在充电状态下，电能转化为化学能储存在电池中；在放电状态下，化学能又转化为电能供用电设备使用。Li+循环往复的运动体现了电池的循环使用特性。其内部反应过程如图1-1所示。
图1-1 锂离子电池内部反应过程
锂离子电池是前几年出现的金属锂电池的替代产品，电池的主要构成为正负极、电解质、隔膜以及外壳。
（1）正极 采用能吸藏Li+的碳极，放电时，锂变成Li+，脱离电池正极，到达锂离子电池负极。
（2）负极 材料选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料（包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等）和金属氧化物。
（3）电解质 采用LiPF6的乙烯碳酸脂、丙烯碳酸脂和低黏度二乙基碳酸脂等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。
（4）隔膜 采用聚烯微多孔膜如聚乙烯（Polyethylene，PE）、聚丙烯（Polypropylene，PP）或它们的复合膜，尤其是PP/PE/PP三层隔膜，不仅熔点较低，而且具有较高的抗穿刺强度，起到了热保险作用。
（5）外壳 采用钢或铝材料，盖体组件具有防爆断电功能。
1.1.4 命名规则
根据IEC61960标准，锂离子电池的命名由厚度、宽度、高度和材质的标识组成，通常用字母和阿拉伯数字表示。
（1）电池标识组成
1）圆柱形锂离子电池表示方法：3个字母+5个数字。
2）方形锂离子电池表示方法：3个字母+6个数字。
（2）第一个字母表示电池负电极的材料
1）I表示锂离子。
2）L表示锂金属电极或锂合金电极。
（3）第二个字母表示电池正极的材料
1）C是基于钴的电极。
2）N是基于镍的电极。
3）M是基于锰的电极。
4）V是基于钒的电极。
（4）第三个字母表示电池的形状
1）R表示圆柱形电池。
2）L表示方形电池。
（5）圆柱形电池五个数字分别表示电池的直径和高度
1）字母后前两个数字表示电池的直径，单位为mm。
2）后两个数字表示电池高度的十倍，单位为mm。
3）直径或高度任意一尺寸大于或等于100mm时，两个尺寸之间应加一条斜线，同时该尺寸数字相应增加。
（6）方形电池六个数字分别表示电池的厚度、宽度和高度
1）前两个数字表示电池的厚度，单位为mm。
2）中间两个数字表示电池的宽度，单位为mm。
3）后两个数字表示电池的高度，单位为mm。
4）厚度、宽度和高度三个尺寸任意一个大于或等于100mm时，尺寸之间应加斜线，同时该尺寸数字相应增加。三个尺寸中若任意一尺寸小于1mm，则在此尺寸前加字母t，此尺寸单位为1/10mm。