2.2　鋰離子動力電池

鋰離子動力電池簡稱為鋰電池，是由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。

鋰電池的分類方法比較多，可以按照正極材料類型劃分、負極材料類型劃分、電解液類型劃分等。按照正極材料類型大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰金屬電池一般是使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。鋰電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質的電池。

由于鋰電池性能上的差異主要表現在正極材料的差異上，因此習慣于用正極材料的名稱給一個技術路線命名，如磷酸鐵鋰電池技術路線、三元鋰電池技術路線。目前在節能與新能源汽車使用的鋰離子動力電池主要為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，后面便以這二者為例加以敘述。

1. 磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池以LiFePO4作為電池的正極，由鋁箔與電池正極連接；中間是聚合物的隔膜把正極與負極隔開，鋰離子Li+可以通過而電子e-不能通過；碳（石墨）組成電池負極，由銅箔與電池的負極連接。電池的正負極之間有電解質，電池由金屬外殼密閉封裝。

LiFePO4電池在充電時，正極中的Li+通過聚合物隔膜向負極遷移；在放電過程中，負極中的Li+通過隔膜向正極遷移。

正極反應式：LiFePO4=Li1-xFePO4+xLi++xe-

負極反應式：xLi++xe-+6C=LixC6

總反應式：LiFePO4+6C=Li1-xFePO4+LixC6

磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩固，難以分解，即便在高溫或過充時也不會像鈷酸鋰一樣結構崩塌發熱或形成強氧化性物質，因此擁有良好的安全性。磷酸鐵鋰電熱峰值可達350℃～500℃，工作溫度范圍寬廣（-20℃～+75℃），有耐高溫特性。

磷酸鐵鋰電池也有其缺點：例如低溫性能差，正極材料振實密度小，等容量的磷酸鐵鋰電池的體積要大于鈷酸鋰等鋰離子電池的體積，因此在微型電池方面不具有優勢。而用于動力電池時，磷酸鐵鋰電池和其他電池一樣，需要面對電池一致性問題。

磷酸鐵鋰電池的應用領域比較廣泛，包括公交車、電動汽車、景點游覽車等大型電動車輛和電動自行車、高爾夫球車、小型平板電瓶車、鏟車、清潔車、電動輪椅等輕型電動車。在未來很長一段時間，三元和磷酸鐵鋰電池兩種技術路線將雙線并行，追求品質性能的高端乘用車市場采用三元鋰電池，而追求性價比的微型車、商用車采用磷酸鐵鋰電池。與三元路線相比，磷酸鐵鋰在使用壽命、安全性、快速充放等方面具備明顯優勢，更適用于儲能市場，未來的儲能市場也將成為磷酸鐵鋰電池重要的潛在市場。

磷酸鐵鋰動力電池的技術突破主要集中在正極材料的突破上，其正極材料需要不斷的改性和納米化來實現進步。如在磷酸鐵鋰中摻入導電碳材料或金屬微粒，或在外包覆導電材料等以提高材料電子電導率；制備納米和高密度球形磷酸鐵鋰，盡量縮短鋰離子擴散距離以提高電導率，有效提高活性粒子表面積，增大活性粒子的有效電化學接觸面積等；在磷酸鐵鋰晶格中摻雜進行改性，以提高材料電化學性能。

2. 三元聚合物鋰電池

三元聚合物鋰電池簡稱三元鋰電池，是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰（Li（NiCoMn）O2）等三元復合正極材料的鋰電池，三元復合正極材料前驅體產品以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料，里面鎳、鈷、錳的比例可以根據實際需要調整。

以鎳鈷錳三元材料為例，其化學式通常可以表示為：LiNixCoyMnzO2，其中x+y+z=1。依據3種元素的摩爾比（x : y : z比值）的不同，分別將其稱為不同的體系。國內常用的鎳鈷錳（NCM）材料三元鋰電池產品有多種型號，從111三元（N : C : M=1 : 1 : 1）到433、532、622、811三元。隨著鎳含量遞增，電池能量密度也相應得到了提升；日韓企業則以鎳鈷鋁（LiNi0.8Co0.15Al0.05O2，縮寫為NCA）三元鋰電池為主，這種材料對環境中的水非常敏感，所以NCA三元鋰電池主要做成圓柱的小電池，以保證其安全性。

三元鋰電池的工作原理與磷酸鐵鋰類似，也是鋰離子在正負極之前脫嵌的過程，只不過正極材料有所不同。與磷酸鐵鋰電池相比，采用三元材料可以使鋰電池具有較高的電壓平臺和能量密度，同時低溫性能有所提升。缺點是安全性較差，需要更復雜的動力電池系統設計來防止電池熱失控的發生。

目前，能量密度是動力電池最大的瓶頸，而三元鋰電池的熱穩定性短板則可以通過配套使用效率較高的熱管理系統加以彌補，因此三元鋰電池技術路線有望逐步成為后期技術的主流路線，成為追求高續航里程電動汽車的首選電池類型。

傳統電解液鋰離子電池由于液態電解質中含有易燃的有機溶液，發生短路溫度驟升時容易發生燃燒和爆炸，需要安裝抗溫升和防短路的安全裝置結構。而固態電解質不可燃、無腐蝕、不揮發、不存在漏液問題，也克服了鋰枝晶現象，因而采用固態電解質的固態電池具有極高的安全性，有望從根本上解決電池安全性問題，是理想的化學電源。