電池電源/鋰離子電池

鋰離子電池（有時縮寫為鋰離子）是一種可充電 電池，常用於消費電子產品。它們是目前最受歡迎的電池型別之一，具有最佳的能量重量比，沒有記憶效應，並且在不使用時充電損耗緩慢。然而，如果處理不當，它們可能很危險，並且如果不注意，與其他電池型別相比，它們的壽命可能會更短。更先進的鋰離子電池設計是鋰聚合物電池。

索尼鋰離子電池 LIP-4WM

歷史

吉爾伯特·N·路易斯是一位著名的美國化學家，他從1912年開始研究鋰電池，但第一批不可充電（一次性）電池直到1970年代初才開始商業化生產。可充電（二次）鋰離子電池需要近20年的研究和開發才能實現大規模市場化生產；第一批商業化版本是由索尼在1991年生產的，此前牛津大學由約翰·B·古迪納夫領導的團隊進行了最初的發現。

優缺點

優點

鋰離子電池可以形成各種形狀和尺寸，從而有效地填充其供電裝置的可用空間。

這些電池也比其他化學物質的等效電池更輕 - 通常輕得多。這是因為鋰離子具有極高的電荷密度 - 是所有已知天然離子的最高密度。鋰離子小而活動，但比氫更容易儲存。因此，鋰電池比具有氫元素的電池（例如鎳氫電池）更小，並且揮發性氣體更少。離子需要的儲存中間體更少，因此更多的電池重量可以用作電荷，而不是開銷。

鋰離子電池不會受到記憶效應的影響。它們還具有低自放電率，每月約為 5%，而鎳氫電池和鎳鎘電池分別為每月超過 30% 和每月 20%。

據一家制造商稱，鋰離子電池（以及相應的“非智慧”鋰離子電池）在通常意義上沒有任何自放電。 這些電池中看起來像自放電的東西實際上是永久的容量損失，下面將更詳細地介紹。另一方面，智慧鋰離子電池會自放電，這是由於內建電壓監控電路的小而恆定的消耗造成的。這種消耗是這些電池自放電的最重要來源。

缺點

鋰離子電池的一個獨特缺點是，它的壽命取決於從製造之日起的老化（儲存壽命），無論它是否充電，而不僅僅取決於充電/放電迴圈的次數。這種缺點沒有得到廣泛宣傳。

在 100% 充電狀態下，典型的鋰離子筆記型電腦電池在 25 度攝氏或 77 度華氏下大部分時間處於滿電狀態，每年將不可逆地損失約 20% 的容量。但是，儲存在通風不良的筆記型電腦內的電池可能會長時間暴露在比 25°C 高得多的溫度下，這將大大縮短其壽命。容量損失從電池製造之日起開始，即使電池未被使用也會發生。不同的儲存溫度會導致不同的損失結果：0°C/32°F 下損失 6%，25°C/77°F 下損失 20%，40°C/104°F 下損失 35%。在 40% 充電狀態下儲存時，這些數字分別降低至 2%、4%、15%，分別對應於 0、25 和 40 攝氏度。

這使得鋰離子電池不適合備份應用，與鉛酸電池相比，甚至與鎳氫電池相比也不適合。

由於電池可以持續輸出的最大功率取決於其容量，因此在高功率（相對於C，電池容量為 A·h）應用（如行動式電腦和攝像機）中，鋰離子電池可能不會表現出裝置執行時間的逐漸縮短，而是可能經常突然失效。

低功率迴圈應用（如手機）可以使用鋰離子電池獲得更長的使用壽命。

獨立的鋰離子電池決不能放電到某個電壓以下，以避免不可逆的損壞。因此，所有涉及鋰離子電池的系統都配備了一個電路，當電池放電低於預定義閾值時會關閉系統。因此，在正常使用中，在設計良好的系統中“深度放電”電池是不可能的。這也是鋰離子電池通常不會以這種方式出售給消費者的原因之一，而只以適合特定系統的成品電池的形式出售。

當電壓監控電路內建在電池中（即所謂的“智慧電池”）而不是裝置中時，即使電池沒有在使用，它也會持續從電池中吸取少量電流，因此電池不能長時間處於完全放電狀態，以避免深度放電造成的損壞。

鋰離子電池不如鎳氫電池或鎳鎘電池耐用，如果處理不當，可能非常危險。它們通常更貴。

鋰離子化學本身並不安全，鋰離子電池需要內建幾個強制性安全裝置，才能被認為在實驗室以外使用是安全的。這些裝置是：關斷隔板（用於過熱）、撕裂片（用於內部壓力）、通風口（壓力釋放）、熱斷路器（過電流/過充電）。這些裝置會佔用電池內部的可用空間，並增加額外的不可靠因素。通常，它們的執行是永久且不可逆地使電池失效。

儘管有這些安全特性，鋰離子電池仍然經常被召回（參見 #安全問題）。

安全特性的數量可以與 w:鎳氫電池 相比，鎳氫電池只配備了一個氫/氧重組裝置（防止因輕微過充造成的損壞）和一個備用壓力閥。

目前正在進行研究，開發替代的鋰離子化學物質，這些物質在沒有或很少的安全裝置的情況下就能安全使用，例如 。

規格和設計

• 比能量密度：150 到 200 W·h/kg (540 到 720 kJ/kg)
• 體積能量密度：250 到 530 W·h/L (900 到 1900 J/cm3)
• 比功率密度：300 到 1500 W/kg (@ 20 秒 [1] 和 285 W·h/L)

典型的鋰離子電池化學反應如下

$\mathrm {Li} _{\frac {1}{2}}\mathrm {Co} \mathrm {O} _{2}+\mathrm {Li} _{\frac {1}{2}}\mathrm {C} _{6}\leftrightarrow \mathrm {C} _{6}+\mathrm {Li} \mathrm {Co} \mathrm {O} _{2}$

鋰離子電池的額定 開路電壓 為 3.6 V，典型充電電壓為 4.2 V。充電過程是恆壓限流充電。這意味著以恆定電流充電，直到電池達到 4.2 V 的電壓，然後以恆定電壓繼續充電，直到電流降至接近零。（通常在充電電流達到初始充電電流的 7% 時終止充電。）過去，鋰離子電池不能快速充電，通常需要至少兩個小時才能充滿電。當前一代電池可以在 45 分鐘或更短的時間內充滿電；一些電池甚至可以在短短 10 分鐘內達到 90% 的電量。

鋰離子電池的內部設計如下。負極 由 碳 製成，正極 是一種金屬 氧化物，電解質 是 鋰 鹽 溶解在 有機 溶劑 中。由於鋰金屬可能在不規則充電條件下生成，具有很高的反應性，並可能引起爆炸，因此鋰離子電池通常內建了保護電子裝置和/或保險絲，以防止極性反轉、過壓和過熱。

固體電解質介面

啟用鋰離子 電池 的一個特別重要的因素是固體電解質介面 (SEI)。鋰離子 電池 中的 液體 電解質 由固體 鋰-鹽 電解質（如 LiPF₆、LiBF₄ 或 LiClO₄）和 有機 溶劑（如 乙醚）組成。液體 電解質 傳導 Li 離子，這些離子充當 正極 和 負極 之間的載體，當 電池 透過外部電路傳輸電流時。然而，固體電解質和有機溶劑很容易在充電過程中被分解在 負極 上，從而阻止電池啟用。然而，當使用合適的 有機 溶劑作為電解質時，電解質會被分解並在第一次充電時形成一個固體電解質介面，該介面具有良好的電絕緣性和高 Li 離子傳導性。該介面可以防止電解質在第二次充電後被分解。例如，碳酸亞乙酯在相對較高的電壓下（相對於鋰為 0.7 V）分解，形成緊密而穩定的介面。該介面被稱為 SEI。

參見 三氧化鈾，瞭解正極工作原理的一些細節。雖然三氧化鈾沒有用於商業生產的電池，但三氧化鈾可以可逆地嵌入陽離子的方式與許多鋰離子電池中正極的工作方式相同。

延長鋰離子電池壽命的指南

• 與 鎳鎘電池 不同，鋰離子電池應該儘早經常充電。然而，如果長時間不使用，應該將其充電至 40% 左右。鋰離子電池不應該像鎳鎘電池一樣進行“深度迴圈”。
• 鋰離子電池應該保持涼爽。理想情況下，它們應該儲存在冰箱中。在高溫下，電池老化速度會快得多。汽車內部的高溫會導致鋰離子電池迅速老化。
• 鋰離子電池不應該完全放電（0%）。
• 根據一本書^{，鋰離子電池不應該被凍結。請注意，大多數鋰離子電池電解質在約 -40 °C 時會凍結，這比大多數家用冰箱能達到的最低溫度低得多。}
• 鋰離子電池只在需要時購買，因為老化過程從電池製造之日起就開始。
• 當使用筆記型電腦透過固定線路電源長時間執行時，可以將電池取出並儲存在陰涼處，以防止它受到電腦發熱的影響。（但是，筆記型電腦的電池可以防止電源故障和 電壓驟降 時記憶體中資料的突然丟失。合理的替代方案是使用舊的鋰離子電池或外部 不間斷電源。）

儲存溫度和電量

將鋰離子電池儲存在合適的溫度和電量下對於保持其儲存容量至關重要。下表顯示了在給定電量和溫度下儲存後會發生的永久容量損失。

永久容量損失與儲存條件的關係

儲存溫度	40% 電量	100% 電量
0 °C (32 °F)	2% 損失 (1 年後)	6% 損失 (1 年後)
25 °C (77 °F)	4% 損失 (1 年後)	20% 損失 (1 年後)
40 °C (104 °F)	15% 損失 (1 年後)	35% 損失 (1 年後)
60 °C (140 °F)	25% 損失 (1 年後)	40% 損失 (3 個月後)
來源"如何延長鋰電池的使用壽命". 檢索於 2011 年 10 月 15 日.

避免將鋰離子電池儲存在滿電狀態下非常有利。與儲存在 100% 電量的鋰離子電池相比，儲存在 40% 電量的鋰離子電池的使用壽命要長得多，尤其是在高溫環境下。

如果將鋰離子電池儲存在電量過低的狀態下，存在電量下降到電池低電壓閾值以下的風險，從而導致電池無法恢復地失效。一旦電量下降到這個水平，再充電就會很危險。因此，內部安全電路會斷開以防止充電，電池實際上就會失效。

在可以使用第二個鋰離子電池的情況下，建議將未使用的電池放電至 40%，並將其放入冰箱中以延長其保質期。電池應該在室溫下放置長達 24 小時才能進行放電或充電。

安全問題

鋰離子電池在暴露於高溫或陽光直射的情況下很容易破裂、燃燒或爆炸。在炎熱的天氣裡，不要將它們儲存在汽車裡。短路鋰離子電池也會導致其燃燒或爆炸。切勿開啟鋰離子電池的外殼。鋰離子電池包含安全裝置，可以保護內部電池免受濫用。如果損壞，這些裝置會導致電池燃燒或爆炸。

電池內部的汙染物可能會破壞這些安全裝置。2006 年中期，戴爾筆記型電腦中使用的 410 萬塊索尼電池被召回，原因是內部金屬顆粒汙染。在某些情況下，這些金屬顆粒可能會刺穿隔膜，迅速將電池中的所有能量轉化為熱量。例如：戴爾筆記型電腦在日本會議上“爆炸”

鋰電池顧問 Kuzhikalail M. Abraham 在 [2]E-Kem Sciences 表示，計算機行業提高電池容量的動力可能會測試敏感元件的極限，例如隔膜，這是一種僅有 20-25 微米厚的聚乙烯或聚丙烯薄膜。他指出，鋰離子電池的能量密度自 1991 年推出以來已經翻了一番多。“當你在電池中填充越來越多的材料時，隔膜會承受壓力，”他說。

2006 年中期戴爾筆記型電腦電池的召回並非首次，但卻是規模最大的。在過去十年中，由於過熱問題，手機和筆記型電腦中的鋰離子電池已經多次被召回。去年 12 月，戴爾從美國市場撤回了大約 22,000 塊電池。2004 年，京瓷無線召回了大約 100 萬塊手機電池。

“可以用磷酸鋰金屬正極材料代替鋰離子電池中的鈷酸鋰正極材料，這種材料不會爆炸，甚至具有更長的保質期。但目前，這些更安全的鋰離子電池似乎主要用於電動汽車和其他大容量應用，在這些應用中，安全問題更為關鍵……事實是，磷酸鋰金屬電池的能量儲存量只有鈷酸鋰電池的 75% 左右……”（參考：http://www.nytimes.com/2006/09/01/opinion/01cringely.html）

新技術

2005 年 2 月，總部位於雷諾的小型公司 Altair NanoTechnology[3]宣佈開發出一種用於鋰離子電池的奈米級電極材料。其原型電池的功率是現有電池的三倍，可以在六分鐘內充滿電。

2005 年 3 月，東芝宣佈推出另一款快速充電鋰離子電池，該電池基於新的奈米材料技術，可實現更快的充電時間、更大的容量和更長的使用壽命。這款電池可能會在 2006 年或 2007 年初用於商業產品，主要用於工業和汽車行業。[4]

2005 年 11 月，A123Systems 宣佈[5] 開發出一種新型高功率、快速充電鋰離子電池系統[6] [7]，該系統基於從麻省理工學院獲得的許可研究成果。他們的第一個電池正在生產中（2006 年第一季度），並已應用於DeWalt 電動工具和Hybrids Plus 普銳斯插電式混合動力汽車改造。

所有這些配方都涉及新的電極。透過增加有效的電極面積（從而降低電池的內阻），可以使用和充電時的電流可以增加。這類似於超級電容器的發展。因此，電池能夠提供更高的功率（瓦特）；然而，電池的容量（安培小時）只略微增加。

2006 年 4 月，麻省理工學院麻省理工學院的一組科學家宣佈，他們已經找到了利用病毒製造奈米級導線的方法，這些導線可以用來製造比普通鋰離子電池能量密度高三倍的超薄鋰離子電池。科學快報（預印本）[8]

截至 2006 年 6 月，法國的研究人員已經制造出奈米結構的電池電極，其能量容量（按重量和體積計算）是傳統電極的幾倍[9].