2.2　锂离子动力电池

锂离子动力电池简称为锂电池，是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。

锂电池的分类方法比较多，可以按照正极材料类型划分、负极材料类型划分、电解液类型划分等。按照正极材料类型大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。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。

由于锂电池性能上的差异主要表现在正极材料的差异上，因此习惯于用正极材料的名称给一个技术路线命名，如磷酸铁锂电池技术路线、三元锂电池技术路线。目前在节能与新能源汽车使用的锂离子动力电池主要为磷酸铁锂电池和三元锂电池，后面便以这二者为例加以叙述。

1. 磷酸铁锂电池

磷酸铁锂电池以LiFePO4作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接；中间是聚合物的隔膜把正极与负极隔开，锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过；碳（石墨）组成电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的正负极之间有电解质，电池由金属外壳密闭封装。

LiFePO4电池在充电时，正极中的Li+通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的Li+通过隔膜向正极迁移。

正极反应式：LiFePO4=Li1-xFePO4+xLi++xe-

负极反应式：xLi++xe-+6C=LixC6

总反应式：LiFePO4+6C=Li1-xFePO4+LixC6

磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固，难以分解，即便在高温或过充时也不会像钴酸锂一样结构崩塌发热或形成强氧化性物质，因此拥有良好的安全性。磷酸铁锂电热峰值可达350℃～500℃，工作温度范围宽广（-20℃～+75℃），有耐高温特性。

磷酸铁锂电池也有其缺点：例如低温性能差，正极材料振实密度小，等容量的磷酸铁锂电池的体积要大于钴酸锂等锂离子电池的体积，因此在微型电池方面不具有优势。而用于动力电池时，磷酸铁锂电池和其他电池一样，需要面对电池一致性问题。

磷酸铁锂电池的应用领域比较广泛，包括公交车、电动汽车、景点游览车等大型电动车辆和电动自行车、高尔夫球车、小型平板电瓶车、铲车、清洁车、电动轮椅等轻型电动车。在未来很长一段时间，三元和磷酸铁锂电池两种技术路线将双线并行，追求品质性能的高端乘用车市场采用三元锂电池，而追求性价比的微型车、商用车采用磷酸铁锂电池。与三元路线相比，磷酸铁锂在使用寿命、安全性、快速充放等方面具备明显优势，更适用于储能市场，未来的储能市场也将成为磷酸铁锂电池重要的潜在市场。

磷酸铁锂动力电池的技术突破主要集中在正极材料的突破上，其正极材料需要不断的改性和纳米化来实现进步。如在磷酸铁锂中掺入导电碳材料或金属微粒，或在外包覆导电材料等以提高材料电子电导率；制备纳米和高密度球形磷酸铁锂，尽量缩短锂离子扩散距离以提高电导率，有效提高活性粒子表面积，增大活性粒子的有效电化学接触面积等；在磷酸铁锂晶格中掺杂进行改性，以提高材料电化学性能。

2. 三元聚合物锂电池

三元聚合物锂电池简称三元锂电池，是指正极材料使用镍钴锰酸锂（Li（NiCoMn）O2）等三元复合正极材料的锂电池，三元复合正极材料前驱体产品以镍盐、钴盐、锰盐为原料，里面镍、钴、锰的比例可以根据实际需要调整。

以镍钴锰三元材料为例，其化学式通常可以表示为：LiNixCoyMnzO2，其中x+y+z=1。依据3种元素的摩尔比（x : y : z比值）的不同，分别将其称为不同的体系。国内常用的镍钴锰（NCM）材料三元锂电池产品有多种型号，从111三元（N : C : M=1 : 1 : 1）到433、532、622、811三元。随着镍含量递增，电池能量密度也相应得到了提升；日韩企业则以镍钴铝（LiNi0.8Co0.15Al0.05O2，缩写为NCA）三元锂电池为主，这种材料对环境中的水非常敏感，所以NCA三元锂电池主要做成圆柱的小电池，以保证其安全性。

三元锂电池的工作原理与磷酸铁锂类似，也是锂离子在正负极之前脱嵌的过程，只不过正极材料有所不同。与磷酸铁锂电池相比，采用三元材料可以使锂电池具有较高的电压平台和能量密度，同时低温性能有所提升。缺点是安全性较差，需要更复杂的动力电池系统设计来防止电池热失控的发生。

目前，能量密度是动力电池最大的瓶颈，而三元锂电池的热稳定性短板则可以通过配套使用效率较高的热管理系统加以弥补，因此三元锂电池技术路线有望逐步成为后期技术的主流路线，成为追求高续航里程电动汽车的首选电池类型。

传统电解液锂离子电池由于液态电解质中含有易燃的有机溶液，发生短路温度骤升时容易发生燃烧和爆炸，需要安装抗温升和防短路的安全装置结构。而固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题，也克服了锂枝晶现象，因而采用固态电解质的固态电池具有极高的安全性，有望从根本上解决电池安全性问题，是理想的化学电源。