导读：

电化学产业经历了长足平妥的发展过程，大量的科研院所、企业机构潜心研究，在前进路途中不断涉历和试错，同时也贡献了卓著的研究成果。时序更替，在此前长达30年的时间里，锂电池的基础体系基本保持相对平稳的态势。探索无限止、前进疾兼程，现今的电池技术仍然在渐进发展，未来仍为可期。

「太蓝锂汇」是太蓝新能源开设的电池科普内容集汇栏目，通过知识科普触及锂电池技术动态和相关市场领域。深耕于先进固态锂电产业研发，太蓝力量正当时，并且将不断发荣滋长。

电是现代文明的血液，电能的利用是人类进入现代社会的标志。电池是一种能量转化与储存的装置，它通过反应将化学能转化为电能。电流无形，带来的现实力量却在转化成有型的科技力量，深藏着推动社会发展与技术革新的玄妙与魔力。

二次锂离子电池是一类采用石墨或其他碳材料作为负极，以含锂的过渡金属化合物作正极的可充电电池，通常简称为锂电池。

（上篇）当中我们一起了解了关于锂电池的发展以及分类，还涉及到一些日常应用和基础参数，本篇继续进行关于锂电池的部分基础解读。

一、为什么青睐锂离子电池

轻便

锂离子电池的重量能量密度目前一般在200～260Wh/kg；铅酸电池一般在50~70Wh/kg，镍氢电池在40～70Wh/kg。这就意味着相同容量的情况下，另外两种电池是锂电池的3~5倍重。所以在储能装置轻量化上，锂电池占居绝对优势。

锂电池的体积容量密度通常是铅酸电池的1.5倍左右，镍氢电池的能量密度只有锂离子电池的60-80%，所以相同容量的情况下，锂电池的体积也更小。

充电快

由于锂离子半径小、性能活泼，在电池内部移动的速度较快，所以充电电流较大，充电速度较快，某些应用场景下，一块锂离子电池大约几小时甚至1小时内就能充满；而镍氢电池充电速度很慢，充满大致需要数小时甚至1天。

没有记忆效应

记忆效应指的是镍镉电池在使用过程中，镉晶粒容易聚集成块而使电池放电时形成次级放电平台，影响和电解液的接触，导致容量下降。进行几次完全的充放电能让晶粒细化，让容量部分恢复，这就是所谓的“激活”。

而锂电池并没有记忆效应，只需要通过3-5次正常的充放循环就可以激活电池，恢复正常容量。

环保

在环保政策下，为了保障所处的环境能够减少污染，在铅酸电池的生产，使用和回收中，都存在因处理不当而造成的污染，而锂电池由于本身的包装和密封工作比较完善，会相对环保一些。

二、锂电池的安全性问题

锂电池有轻便、充电快等优点，那为什么铅酸电池等其他二次电池也还在市场流通呢？

除了成本、适用领域不同等问题，还有一个原因是安全性。锂金属暴露在空气中会与氧气产生剧烈的氧化反应，因此容易产生爆炸、燃烧等现象。此外，锂电池充放电过程中，内部会发生氧化还原反应和副反应，或者含有杂质，从而导致内部产气并长期累积，来不及扩散和释放而引发鼓胀，极端情况下甚至会爆炸或燃烧。另外，锂电池在充放电过程中会产生大量的热量，这会导致电池内部温度升高以及单体电池之间的温度不均匀，从而造成电池的性能下降或不稳定。

热失控

锂离子电池的不安全使用方式（包括过充过放、过流、过温、外部短路、机械滥用条件和高温热冲击等情况）容易触发电池内部的危险性副反应而产生大量热量，直接破坏负极的SEI膜、隔膜或者其他结构。

锂离子电池热失控事故的触发原因有很多种，根据触发的特征，可以分为机械滥用触发、电滥用触发和热滥用触发三种方式。

机械滥用：指的是由碰撞等引起的针刺、挤压以及重物冲击等；

电滥用：一般由电压管理不当或电气元件故障引起，包括短路、过充电和过放电等；

热滥用：由温度管理不当导致的过热引起的。

这三种触发方式之间相互关联，例如，机械滥用一般会引起电池隔膜的变形或破裂，导致电池内部正负极直接接触短路，出现热失控；而电滥用下，焦耳热等产热增加，引起电池温度上升，发展为热滥用，进一步触发电池内部的链式产热副反应，最终导致电池热失控发生。

电池热失控都是由于电池的生热速率远高于散热速率，且热量大量累积而未及时散发出去所引起的。从本质上而言，“热失控”是一个能量正反馈循环过程：升高的温度会导致系统变热，系统变热后温度升高，又反过来让系统变得更热。

热失控的过程

电池内部升温，SEI膜在高温下分解，嵌入石墨的锂离子与电解液会发生反应，进一步把电池温度推高到150℃，此温度下又有新的剧烈放热反应发生。

电池温度达到200℃之上时，正极材料分解，释放出大量热和气体，电池开始鼓包，持续升温。250-350℃嵌锂态负极开始与电解液发生反应，释放出大量的热，产生高温和大量气体，电池发生燃烧爆炸。

过充

过充时析出锂枝晶的问题：

以钴酸锂电池为例，在充满电后，仍有大约一半的锂离子留在正极。也就是说，负极上容纳不了更多锂离子，但在过充状态下，正极上多余的锂离子仍会向负极游动，因不能完全嵌入便会在负极上形成金属锂，由于这种金属锂是树枝状的晶体，因而被称为枝晶，枝晶容易刺穿隔膜，导致内部短路。由于电解液的主要成分是碳酸酯，燃点和沸点较低，这样，在温度较高的情况下就会燃烧甚至爆炸，如下图所示。

为了解决这一问题，科学家们尝试更换更安全的正极材料，如锰酸锂，这一材料具有一定的优点，它可以保证在满电状态下，正极的锂离子可以完全嵌入到负极炭孔隙中，而不是像钴酸锂那样会在正极有一定残留，一定程度上避免了枝晶的产生。锰酸锂稳固的结构使其氧化性能远远低于钴酸锂，即使外部短路，也基本能避免析出金属锂引发燃烧和爆炸。还有一种正极材料，磷酸铁锂，它的热分解温度更高，分子结构更稳定，因而安全性高。

老化

锂离子电池的老化衰减外在表现为容量衰减和内阻增加，其内部的老化衰减机理包括正负极活性材料损失和可用锂离子损失等。

当发生负极材料老化衰减、负极容量不足的情况时，也更易发生负极析锂的危险。

在过放电等情况下，负极对锂电势会升高到3V以上，高于铜的溶解电位，造成铜集流体的溶解。溶解的铜离子会在正极表面析出，并形成铜枝晶。铜枝晶会穿过隔膜，造成内短路，严重影响电池的安全性能。

此外，老化电池的耐过充能力会有一定程度的下降，主要由于内阻增加和正负极活性物质的减少，导致电池过充电过程中焦耳热增加，在更少的过充电量下便可能触发副反应，引发电池热失控。而在热稳定性方面，负极析锂会导致电池热稳定性的急剧下降。

总而言之，老化后的电池安全性能会大大降低，严重危害电池的安全。

解决办法

以电动汽车的电池为例，最有效的方案是为电池系统配备电池管理系统（BMS）和热管理系统，例如目前市场上所有的电动汽车的电池包，都是由数百甚至数千只电芯单体串并联组成，这么复杂的多节电池就是通过其电池管理系统实现对电池各种物理参数的实时监测、电池使用状态评估、在线诊断和预警，同时也能够进行放电与预充控制、电池的均衡管理和热管理等。同时，在电池包内外还配置了导热或冷却系统，以降低充放电发热所导致的电池温度上升，避免热失控风险。

三、锂电池应用

目前，在储能锂电池产品中，使用的大多是磷酸铁锂（LFP）电池。磷酸铁锂电池具有充放电倍率高、循环寿命长、安全可靠等一系列优点，适合在储能领域应用。

在动力电池领域，以三元锂电池（Ternary Lithium Battery）为主，三元电池是指以镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂为正极材料，以石墨为负极材料，以六氟磷酸锂为主的锂盐作为电解质的锂电池。 因为其正极材料包含了镍、钴、锰/铝三种金属元素，因此得名“三元”。三元锂电池因其能量密度高、钴含量低、循环性能好而成为动力电池主流。

至于消费电子领域，目前还是传统的钴酸锂电池占据主导地位。因为相比于三元和磷酸铁锂电池，钴酸锂电池能量密度更高，可以做到轻量化，适合于体积和重量能量密度要求苛刻的便携式消费电子产品。

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