可充电电池对比：锂离子电池优势明显，镍镉电池有记忆效应

可充电电池对比：锂离子电池优势明显，镍镉电池有记忆效应

1. 充电电池比较

常见的充电电池有三种：铅酸电池、镍镉镍氢电池、锂离子电池。我们比较这三种电池的时候，首先看电压，很明显锂电池的电压要大于另外两种，特别是在电动车、电动工具等需要高电压的电池产品上，锂电池更有优势，至少串联和并联的电池不需要那么多。重量能量比，就理解为哪个电池的单位重量更大，很明显锂离子电池要比另外两种高出好几倍，同等体积下，锂离子电池也要高出近十倍。从满电放电到充满算一个循环，锂离子电池可以使用1000次以上，是其他电池的两倍，而且锂离子电池没有记忆效应，镍镉电池有记忆效应，就是放电不彻底，电池会记住放电的量，再充电的时候电池就充不满了。 这是一大缺点，镍镉电池的自放电率比较差，每个月都会放电三分之一。从环保特性来看，锂离子电池不含铅、汞、镉等对环境有污染的金属，而铅酸电池和镍镉电池都有污染。

前面的内容就是锂离子电池是唯一受到欢迎的，但是为什么现在锂离子电池还没有取代其他电池呢？原因就在于最后两点：昂贵和不安全。

锂电池的价格是铅酸电池的三倍左右，特斯拉MODEL S的电池成本为35360美元，相比售价85070美元，电池成本占车价的41.6%。要知道这35360美元是特斯拉电池成本的进价，如果抛开MODEL S P85的销售利润，电池至少占MODEL S制造成本的50%，甚至更多。电池占MODEL S制造成本的50%以上。但目前锂电池行业供不应求，存在价格虚高的局面，国家也开始出台政策，相信电池价格下降之后，电池能量迭代会更快。

也有网友表示，不想要锂电池的电动汽车，因为铅酸电池汽车价格便宜，而且没有爆炸的风险，而锂电池汽车成本的很大一部分也用来保障电池的安全。

2.锂电池基础知识

1. 概念

锂电池通常有：金属锂电池（常见就是纽扣锂电池）和锂离子电池（也就是我们常说的锂电池）。金属锂电池是锂以金属形式存在，无法还原，所以不是充电电池，我们就不介绍了。锂离子电池又包括液态锂离子电池和聚合物锂离子电池。液态锂离子电池就是常见的18650电池，里面含有液态电解质。聚合物锂电池的电解质是固态或者胶体形式。

因为聚合物锂离子电池使用的包装材料基本都是铝塑膜（软包），而液态锂离子电池使用的包装材料是金属钢壳或者铝壳。所以市场上存在一种误解，认为软包锂电池就是聚合物锂电池。其实国内厂家生产的软包电池大部分还是采用液态电解质，并不是聚合物锂电池，真正做聚合物锂电池的厂家并不多。

2.锂离子电池组成

锂离子电池以碳材料为负极，以含锂化合物为正极，没有金属锂，只有锂离子，这就是锂离子电池。锂离子电池是采用锂离子嵌入化合物作为正极材料的电池的统称。锂离子电池的充放电过程就是锂离子嵌入和脱嵌的过程，在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，还伴随着相当于锂离子的电子的嵌入和脱嵌（习惯上用嵌入或脱嵌来表示正极，用嵌入或脱嵌来表示负极）。在充放电过程中，锂离子在正负极之间来回嵌入/脱嵌、插入/脱嵌，形象地称之为“摇椅电池”。

3.锂离子电池结构及工作原理

充电过程：

电源对电池进行充电，此时正极上的电子e通过外电路跑到负极，而正锂离子Li+则从正极“跳”进电解液中，“爬过”隔膜上绕过来的小孔，“游”到负极与已经跑过来的电子结合。

电池放电过程：

如果负极上的电子不能从负极跑到正极，电池就放电不了。电子和Li+同时移动，方向相同，但路径不同。放电时，电子通过电子导体从负极跑到正极，锂离子Li+从负极“跳”进电解液，“爬”过隔膜上的绕线小孔，“游”到正极和已经跑过来的电子结合。

4、聚合物电池电芯与液体电池电芯对比：

（1）无电池漏液问题。电池中不含液态电解质，而是采用胶体固体。聚合物电池采用外面贴一层铝塑膜，再外面贴一层耐高温胶带。由于聚合物锂离子电池采用的是胶体电解质，不会因液体沸腾而产生大量气体，从而杜绝了剧烈爆炸的可能。聚合物最大的安全性就是漏液、短路、封装鼓起，最坏的情况就是燃烧起火，但不会爆炸。

（2）可以做成薄型电池：容量为3，厚度可以薄至0.5mm，电池可以设计成各种形状，由于聚合物电池可以任意尺寸，所以没有标准形状，一般以长*宽*厚来标示，聚合物的容量由体积大小决定。

方形锂离子电池芯：通常用六位数字表示，代表电池的厚度、宽度和高度，单位为毫米，例如10（厚度）×34（宽度）×50（高度）mm。如果厚度值大于宽度值，则应为厚度*0.1，例如4.3（43*0.1）×38×61mm。

（3）电池可弯曲变形：聚合物电池最大弯曲角度可达900度左右。

（4）容量将是同等体积锂离子电池的两倍。

（5）一般18650电池的容量可以在/L左右，也就是能量密度在500Wh/L左右。目前量产的聚合物电池能量密度可以接近600Wh/L。

（6）18650电池为圆柱形，内含液体，由于其设计和材料适合大电流，所以几乎所有笔记本电脑和电动汽车都采用18650电池设计。数码相机只能使用类似18650的电池，因为闪光灯的充电和放电需要高电压和瞬间大电流。聚合物锂电池采用不同的设计和材料，在大电流放电时性能不如18650圆柱电池。因此，大容量小体积的电器设备通常使用聚合物锂电池。最典型的例子是手机、平板电脑等设备。

（7）价格较低 18650国际价格在1USD/pcs左右，按2Ah计算大概在3RMB/Ah左右，而聚合物锂电池价格低端山寨厂在4RMB/Ah，中端5~7RMB/Ah，中高端在7RMB/Ah以上，ATL、力神等公司一般能卖到10RMB/Ah左右，而且不太愿意接太小的订单。

5.不同的锂复合材料寿命不同

锰酸锂可使用约300次，钴酸锂可使用约500次，磷酸铁锂可使用约2000次。钴酸锂（LCO）一直是高端移动设备锂电池的主流正极材料。在苹果和iPad强劲需求的带动下，LCO近年来年产量稳步提升，仍位居正极材料之首。比亚迪电动汽车使用磷酸铁锂，因为资源丰富。

3、锂电池爆炸的原因及对策

所谓手机爆炸，只存在于液态锂离子电池中。

爆炸类型分析：电池单体爆炸类型可以归纳为外部短路、内部短路、过充三种。

1、外部是指电芯外部，包括电池组内部绝缘设计不良造成的短路。当电芯外部发生短路，电子元器件不能及时切断电路时，电芯内部会产生高热，导致部分电解液汽化，使电池外壳膨胀。

2、内部短路主要是因为铜箔、铝箔的毛刺刺破隔膜，或者锂原子的枝晶刺破隔膜而引起的。由于过充，负极的储存单元中已经充满了锂原子，随后的锂金属就会在负极材料表面堆积起来。这些锂原子就会从负极表面顺着锂离子的方向长出枝晶。这些锂金属晶体就会穿过隔膜纸，造成正负极短路。有时电池在发生短路之前就会爆炸。这是因为在过充过程中，电解液等物质会分解产生气体，导致电池外壳或压力阀膨胀破裂，让氧气进入并与负极表面堆积的锂原子发生反应，进而爆炸。

3、锂电池在过充时，随着极化加剧，电池电压迅速升高，会造成正极活性物质结构发生不可逆变化和电解液分解，产生大量气体，放出大量热量，导致电池温度和内压急剧升高，存在爆炸、燃烧的危险隐患。

当锂电池电芯过充到高于4.2V的电压时，就会开始出现副作用。过充电压越高，危险性越高。当锂电池电芯电压高于4.2V时，正极材料中剩余的锂原子数量不足一半，电芯往往会崩溃，造成电池容量永久性下降。因此，在给锂电池充电时，需要设定一个电压上限，以同时兼顾电池寿命、容量和安全性。最理想的充电电压上限是4.2V。

解决方案：

1.不易燃的电解质，可防止电池燃烧。

有机磷酸酯具有阻燃性高、在电解质盐中溶解性强等特点，例如DMMP（二甲氧基甲基磷酸酯）：粘度低（cP~1.75，25℃）、熔点低、沸点高（-50~181℃）、阻燃性强（P-：25%）、在锂盐中溶解性好。

然而阻燃溶剂在应用中存在与负极相容性差、电池充放电库仑效率低的问题，因此需要寻找匹配的成膜助剂。

2.高温隔膜技术

电池中加入了孔隙很多的隔膜纸，就是为了防止短路。当电池内部温度达到135摄氏度时，好的隔膜纸能在电池温度过高时自动将孔隙关闭，使锂离子无法通过，反应终止或几乎终止，电流急剧下降，温度缓慢下降，从而避免爆炸。但如果孔隙关闭率太差，或者隔膜纸的孔隙根本就没有关闭，电池温度就会不断升高，更多的电解液会汽化，最后会撑破电池外壳，甚至电池温度会升高到材料燃烧爆炸的程度。

目前使用的锂电池隔膜一般都提供一项额外的功能，那就是热关断。这项功能也为锂电池的安全性能提供了额外的帮助。这是因为隔膜所采用的聚烯烃材料具有热塑性，当温度接近材料熔点时，微孔闭合形成热关断，从而阻断离子的继续传输，形成短路，起到保护电池的作用。

3.防爆组合帽结构

该组件由上盖帽、PTC过流保护片、防爆半球铝膜、下底板组成。下底板焊接在电池正极极耳上，是正极板与外部连接的过渡，点焊在防爆半球铝膜上。防爆半球铝膜有两大作用，一是当电池内压升高到一定值时，向内凹的面受力后变成向外凸的，使防爆半球铝膜与极耳之间的焊接点撕裂断开，形成电池与外界的断路，电池盖帽的过充保护功能开始起作用；二是当电池内压升高到超过防爆铝膜缺口的应力极限时，防爆铝膜破裂，电池通电，电池内部的压力从破裂处漏出。

4. 在电解液中添加硝酸锂和多硫化锂

斯坦福大学的一组研究人员最近发现了一种提高锂电池安全性的方法。

为了防止下一代电池自燃，斯坦福大学的研究人员找到了一种阻止枝晶形成的方法。他们在实验中，在纽扣电池的电解液中添加了两种化学物质，分别是可以提高电池寿命的硝酸锂和可以分解锂电极的多硫化锂。经过不同剂量的测试，他们成功让生成的晶体呈现出无害的煎饼状，而不是危险的枝晶。

5. 泄压孔

因为具有防爆功能，电池业内人士也称之为防爆孔或防爆线。其原理很简单，在壳体表面画一条比壳体表面略细的线或孔。当电芯发生短路时，电池内部会在短时间内产生大量气体，压力迅速升高。当压力超负荷时，由于防爆孔比壳体其余部分要薄，气体就会从防爆孔中释放出来，从而避免整个电芯爆炸的危险。所以它只是权宜之计。

目前，尚无措施能够妥善解决锂离子电池爆炸风险。 我们在使用时也应尽量做好预防措施，不要边充电边玩手机、不要使用膨胀的电池等。