主题：充电电池介绍 -- 积吉

现在动力电池的方向是锂离子动力电池，基本可分为日本的锂锰系和美国的锂铁系。锂锰系电池是指以锰酸锂LiMn2O4为正极材料的动力电池。锂铁系电池是指以磷酸铁锂LiFePO4为正极材料的动力电池。

锂离子电池的性能主要取决于所用电池内部材料的结构和性能。这些电池内部材料包括负极材料、电解质、隔膜和正极材料等。其中正负极材料的选择和质量直接决定锂离子电池的性能与价格。负极材料目前的发展比较成熟，一般选用碳，还有选硅或金属氧化物的如昂贵的钛酸锂。而目前正极材料的成本大约占整个电池成本 的40％以上，正极材料的开发已经成为决定锂离子电池性能进一步提高、价格进一步降低的最重要因素。这也是为什么锂离子电池以正极材料来命名了。

下面表中给出了三种主要锂离子正极材料的性能。钴酸锂我们在前面的便携电池中已作过介绍，放在此表中主要是为了对比，同时更进一步的揭示它的性能。

现在我们来一条一条的对比在上一篇所讲的动力电池的六要素：

[SIZE=3]安全性[/SIZE]

表中给出两类对比，晶体结构和氧化温度. 其中对安全性起决定作用的是晶体结构。因为具体的晶体结构分析太过专业，在这里就不细讲了，只要知道晶体结构像什么就行，比如像尖晶石形状，像橄榄石形状之类（下面有张橄榄石结构的示意图）。

我们知道锂离子电池充放电过程是锂离子嵌入/脱嵌的过程。 如果晶体结构在这个过程中稳定，不发生变化，电池的安全性就高。否则就低，比如层状氧化物结构的钴酸锂电池，在充电电压不断升高的情况下，正极材料中的剩余的锂离子将会继续脱嵌，游向负极，而此时负极材料中能容纳锂离子的位置已被填满，锂离子只能以金属的形式在其表面析出。这样问题就出来了。一方面，金属锂的表面沉积非常容易聚结成枝杈状锂枝晶，从而刺穿隔膜，造成正负极直接短路；另一方面，金属锂非常活泼，会直接和电解液反应放热；同时，金属锂的熔断相当低，即使表面金属锂枝晶没有刺穿隔膜，只要温度稍高，比如由于放电引起的电池升温，金属锂将会熔解，从而将正负极短路，造成安全事故。还有就是在较高温度下和深度充放电的过程中，钴与氧的键有可能断裂释放出氧而产生爆炸。钴酸锂电池的氧化温度只有150度，是三个正极材料中最低的。所以安全性是钴酸锂电池的最大短板。基于这点考虑，钴酸锂材料的实际使用容量只有其理论容量的二分之一（表中有数据），以减少多余锂离子的溢出。此外，选用机械和热关闭性能更优的电池隔膜、采用安全系数较高的铜箔膜防爆阀，改进阻燃型电解液等也是提高电池安全性的途径。

锰酸锂电池的晶体结构是尖晶石，在锂离子嵌入/脱嵌过程中较稳定，安全性较高。其氧化温度是250度比钴酸锂电池整整高了100度。但在深度充放电的过程中，材料容易发生晶格崎变（特别是在较高温度下），锰与氧的键有可能断裂释放出氧而产生爆炸。同时还存在较高工作温度下锰酸锂晶体缓慢溶解入电解液的问题。锰酸锂电池因此也需要采用各种安全手段来提高安全性。

磷酸铁锂电池是目前安全性最高的电池。其特有的橄榄石晶体结构中的磷酸基对整个材料的框架具有稳定的作用，使得材料本身具有良好的热稳定性和循环性能。这其中的关键是磷酸铁锂中的锂离子不同于正极材料钴酸锂LiCoO2和锰酸锂LiMn2O4，其具有一维方向的可移动性，在充放电过程中可以可逆的脱出和迁入并伴随着中心金属铁的氧化与还原。另外，磷与氧的键结很强，因此在锂电池发生短路时，不会因为短路而产生爆炸。它的氧化温度高于400度，可以放在火里烧。所以，正极材料是钴酸锂和锰酸锂的电池为提高安全不得不采取各种手段，而正极材料磷酸铁锂是天生拥有安全性。

可逆的，一维方向移动的锂离子的脱出和嵌入(右图是橄榄石晶体结构的LiFePO4，左图是锂离子脱出后生成的相似结构的 FePO4）

[SIZE=3]经济性[/SIZE]

由于钴的昂贵使钴酸锂材料价格偏高。锰资源丰富价格便宜，同时锰酸锂也比较容易制备，所以锰酸锂材料的电池成本低。磷和铁的资源丰富价格便宜，但磷酸铁锂比较难制备，其烧结的成品率低，使磷酸铁锂材料的电池成本高。降低磷酸铁锂的成本有各种方法，比如增大产量，改进工艺等等。这在后面专讲磷酸铁锂时要细述的。

[SIZE=3]高容量[/SIZE]

包括电容量和工作电压。理论电容量中钴酸锂最高，锰酸锂最低。但由于要考虑安全性，钴酸锂实际电容量被折中了，只有理论电容量的约一半。事情就是这样的，如果想提高电容量就得牺牲安全性。安全性较高的锰酸锂的理论电容量低意味着它的电容量发展空间不大了，最多到148mAh/g. 相比安全性更高的磷酸铁锂，有人已在实验室做出了160 mAh/g的实际电容量。当然，工作电压中磷酸铁锂最低只有3.3V。但它有一个很平坦的工作电压平台，这意味着它能更平稳，更有效的放电特性。

[SIZE=3]长寿命[/SIZE]

电池的循环寿命主要是受制于正负极活性材料的结构性质、电极粘结强度、电解液及正负极的容量配比以及充放电造成的极化程度等。作为正极材料的磷酸铁锂，其循环寿命的优势太明显了.

[SIZE=3]利环境[/SIZE]

钴是对环境有害的重金属。但它的高价格决定了它的高回收率。磷酸铁锂和锰酸锂都是绿色材料。

[SIZE=3]快充电[/SIZE]

充电的快慢是由材料的导电性决定的。毫无疑问磷酸铁锂最差。这是因为磷酸铁锂中的锂离子脱出后，晶格的体积减少，而其中的FeO6八面体共顶点，因为被氧原子分隔，无法形成连续的FeO6网路结构，从而降低了电子传导性。另一方面，晶体中的氧原子接近于六方最密堆积的方式排列，因此对锂离子仅提供有限的通道，使得室温下锂离子在结构中的迁移速率很小。

但这不意味着锰酸锂（更不用说钴酸锂了）可以随便实现快充电。因为它的晶体结构没有磷酸铁锂的稳定，大电流快充可能意味着发生晶格崎变，意味着锰与氧的键有可能断裂，结果产生爆炸。而通过对磷酸铁锂的参杂，比如加入碳，钴之类，其导电性会大大增加。比亚迪的实验报告说他的电池能在10分钟内充满80%。

通过以上对比，作为动力电池的正极材料，在性能上磷酸铁锂完胜锰酸锂。但为什么日本人还要全力投入锂锰电池呢？

顾名思义，动力充电电池是指给物体运动提供电能的充电电池，简称动力电池（一次性电池不包含在内）。狭义上是指给电动机提供电能的充电电池。这就好理解了，比如电动自行车、电动摩托车和电动汽车的电池可以叫做动力电池，它们能够以10C以上的大电流放电；同时，电动工具、航空模型用的电池，能够以5C以上倍率进行放电，也是动力电池；问题是小朋友的玩具汽车电池，也就是那种5号充电电池按字面解释也是动力电池了。这个就有些歧义了，所以我们重新定义动力电池，即指给物体运动提供大电流电能的充电电池。这里讨论的是电动汽车的动力电池。

汽车是一项伟大的发明，它是人们安全，快速，舒适和经济的交通工具。打住！后面几项还靠谱，安全就别提了，因为意外死亡人数中的多半来自车祸。其实，此非车之过，实人之过也，但也正说明安全对汽车的重要性，所以才有各种车祸防护措施如安全气囊等。

汽车是靠烧汽油柴油来提供动力的，其最大问题是尾气对环境的污染，还有对有限资源石油的消耗。电动车想要取代传统的汽车以减少环境污染，其关键部件－电池必需具备一下几个条件：

1. [SIZE=3]安全性[/SIZE]。这是首要条件。前面已叙述传统汽车自身没有安全问题，但电池就不好说。仅仅数例手机笔记本电池的爆炸就能让人们十分的担忧电池安全问题，更不用说工作环境极差的电动车电池了。只要有一两例爆炸事件发生，此类电池就要打入禁宫。安全性的等级将把动力电池分成三，六，九等。

2. [SIZE=3]经济性[/SIZE]。就是要够便宜，以便市场化。不能一个电动车的电池要加3，5万美元，谁要啊，除非发烧友。通用的volt 不用A123的电池就是因为价格太贵。多说几句：要达到经济性的目标要从两方面下手，一是原材料，二是制备方法。原材料好理解，制备方法是指好的方法能提高成品率。

3. [SIZE=3]高容量[/SIZE]。包括电池的大体积比能量，和大的克容量。前者是指电池要体积小容量大，后者是指重量轻容量大。电动车不能背着由又重的电池满街跑。铅酸电池不能成为动力电池的原因之一就是容量不够高（不过据传吉利的电动车想用铅酸电池作动力）。

4. [SIZE=3]长寿命[/SIZE]。电动车电池再怎么便宜也是车子最贵的部分，不能三天两头的换。

5. [SIZE=3]利环境[/SIZE]。没有对环境有害的物质如重金属，或者便于回收。这也是铅酸电池的另一桩罪。

6. [SIZE=3]快充电[/SIZE]。得把这条加上。如果要在高速公路边的充电站花3，5个小时来充电，没人会用电动车了。

历史上做过电动车动力电池的主要是铅酸电池，而且它目前还是汽车的蓄电池。它便宜经济，安全性尚可（主要问题在过充电时），但容量不高过于笨重，寿命不长，还不利于环境，所以被淘汰出动力电池的范围。如果铅酸电池的技术有大的发展，解决以上的不足，它当然可以用。目前，车用动力电池主要集中在锂离子电池和镍氢电池。

丰田Prius 混合动力车

[SIZE=3]镍氢动力电池[/SIZE]

镍氢电池作为动力电池是因为丰田Prius 混合动力车的应用而出名。电池共28块模块，容量1.5度。Prius用镍氢电池主要基于安全性考虑，具体就是可快速充电且高倍率放电安全、耐过充。还有就是镍氢电池相对成熟。

镍氢电池正极的活性物质为氢氧化亚镍（放电时）和氢氧化镍 (充电时)，负极板的活性物质为氢气（放电时）和水（充电时）。过量充电时，正极板析出氧气，负极板析出氢气。由于有催化剂的氢电极面积大，而且氧气能够随时扩散到氢电极表面，因此氢气和氧气能够很容易在电池内部再化合生成水，使电池内的气体压力保持不变，这种再化合的速率很快，可以使电池内部氧气的浓度，不超过千分之5。再加上为了防止充电过程后期电池内压过高而在电池中装有防爆装置，镍氢电池过充电时是相对安全的。

Prius用的镍氢电池是经过特殊处理的，基本消除了记忆性，极大降低了自放电率，加强了安全性，延长了循环寿命。但它的容量不高，价格太贵（镍是贵金属）使它的使用不能进一步延伸。丰田已准备在下一代Prius中使用锂离子电池了。

锂离子动力电池基本可分为日本的锂锰系和美国的锂铁系。