鋰離子電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。最早出現(xiàn)的鋰離子電池來(lái)自于偉大的發(fā)明家愛(ài)迪生，使用以下反應(yīng)：Li+MnO2=LiMnO2，該反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)。由于鋰金屬的化學(xué)特性非常活躍，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對(duì)環(huán)境要求非常高。所以，鋰離子電池長(zhǎng)期沒(méi)有得到應(yīng)用。而現(xiàn)在，鋰離子電池已經(jīng)成為了主流。

目前，鋰離子電池應(yīng)用于電動(dòng)自行車產(chǎn)品較為普遍，并解決了電動(dòng)自行車輕量化、美觀化的產(chǎn)品需求問(wèn)題，但由于其應(yīng)用時(shí)間并不長(zhǎng)，而動(dòng)力鋰離子電池技術(shù)也并未達(dá)到完善的程度，因此還存在眾多問(wèn)題要解決。以下，我們就來(lái)分析目前電動(dòng)自行車用鋰離子電池在技術(shù)層面的現(xiàn)狀。

一、鋰離子電池發(fā)展進(jìn)程

由于鋰金屬的化學(xué)特性非常活躍，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對(duì)環(huán)境要求非常高，所以鋰離子電池生產(chǎn)要在特殊的環(huán)境條件下進(jìn)行。而由于鋰離子電池的很多優(yōu)點(diǎn)，鋰離子電池被廣泛的應(yīng)用在電子儀表、數(shù)碼和家電產(chǎn)品上。但是，鋰離子電池多數(shù)是二次電池，也有一次性電池。少數(shù)二次電池的壽命和安全性比較差。

后來(lái)，日本索尼公司發(fā)明了以炭材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極的鋰離子電池，在充放電過(guò)程中，沒(méi)有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達(dá)到負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)(即我們使用電池的過(guò)程)，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動(dòng)回正極。

回正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說(shuō)的電池容量指的就是放電容量。在Li-iond的充放電過(guò)程中，鋰離子處于從正極→負(fù)極→正極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。Li-ionBatteries就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象運(yùn)動(dòng)員相同在搖椅來(lái)回奔跑。所以Li-ionBatteries又叫搖椅式電池。

隨著數(shù)碼產(chǎn)品如手機(jī)、筆記本電腦等產(chǎn)品的廣泛使用，鋰離子電池以優(yōu)異的性能在這類產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，并在近年逐步向其他產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。1998年，天津電源研究所開(kāi)始商業(yè)化生產(chǎn)鋰離子電池。習(xí)慣上，人們把鋰離子電池也稱為鋰離子電池，現(xiàn)在鋰離子電池已經(jīng)成為了主流。

二、鋰離子電池的特性

鋰離子電池與其他類電池存在差別，有著其獨(dú)有的特性。

(一)高能量密度

鋰離子電池的重量是相同容量的鎳鎘或鎳氫電池的一半，體積是鎳鎘的20-30%，鎳氫的35-50%。

(二)高電壓

一個(gè)鋰離子電池單體的工作電壓為3.7V(平均值)，相當(dāng)于三個(gè)串聯(lián)的鎳鎘或鎳氫電池。

(三)無(wú)污染

鋰離子電池不含有諸如鎘、鉛、汞之類的有害金屬物質(zhì)。

(四)不含金屬鋰

鋰離子電池不含金屬鋰，因而不受飛機(jī)運(yùn)輸有關(guān)禁止在客機(jī)攜帶鋰離子電池等規(guī)定的限制。

(五)循環(huán)壽命高

在正常條件下，鋰離子電池的充放電周期可超過(guò)500次，磷酸亞鐵鋰(以下稱磷鐵)則可以達(dá)到2000次。

(六)無(wú)記憶效應(yīng)

記憶效應(yīng)是指鎳鎘電池在充放電循環(huán)過(guò)程中，電池的容量減少的現(xiàn)象。鋰離子電池不存在這種效應(yīng)。

(七)快速充電

使用額定電壓為4.2V的恒流恒壓充電器，可以使鋰離子電池在1.5--2.5個(gè)小時(shí)內(nèi)就充滿電;而新開(kāi)發(fā)的磷鐵鋰電，已經(jīng)可以在35分鐘內(nèi)充滿電。

三、鋰離子電池在電動(dòng)自行車領(lǐng)域的應(yīng)用

目前在電動(dòng)自行車上應(yīng)用的大功率鋰離子動(dòng)力鋰電池基本上都是由多只單體電池串聯(lián)、并聯(lián)而成的。在其應(yīng)用過(guò)程中，鋰動(dòng)力鋰電池存在的問(wèn)題重要是各個(gè)單體電池之間的離散性較大，從而影響到整個(gè)電池組的安全性和使用壽命。

因此，我們認(rèn)為理想的鋰動(dòng)力鋰電池組管理應(yīng)該針對(duì)電池組的安全性和使用壽命。這種控制的要求是：不僅能夠管理和保護(hù)電池組中的每一單體電池，而且在放電時(shí)還要使每只電池的電壓保持均衡一致，如同很多杯水在同一個(gè)水平線平衡一致地往外流。在充電時(shí)要保證電池組中的所有電池在同一個(gè)電壓線上均衡一致地進(jìn)行充電，直至所有電池充滿為止，就如很多個(gè)杯子，盡管容量不相同，但以相同的流量注水時(shí)，要保證每一只杯子溢水。

綜上所述，電動(dòng)自行車用鋰離子電池在使用過(guò)程中，要始終保持電池不過(guò)充、不過(guò)放、不發(fā)熱、壽命長(zhǎng)，尤其是使用安全。這就要求電池組必須具有對(duì)每只單體電池充放電均衡及保護(hù)功能。

四、電動(dòng)自行車用鋰離子電池分類

電動(dòng)自行車用鋰離子電池大致可分為三大類：錳酸鋰離子電池、三元材料電池和磷酸鐵鋰離子電池。

錳酸鋰離子電池：解決錳酸鋰離子電池的高溫性能，必須對(duì)電池的正極材料、電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電解液配方進(jìn)行改良。在日本和韓國(guó)采用改性錳酸鋰，改性錳酸鋰離子電池在65℃存放一星期，容量只下降到99%。

三元材料電池：鈷、鎳、錳三元材料作為正極材料的鋰離子電池，它克服了錳酸鋰的高溫性能差的缺陷，又提高了電池的比能量。

磷酸鐵鋰離子電池：2002年以來(lái)，美國(guó)和加拿大開(kāi)始研制磷酸鐵鋰離子電池，它成為一種新的具有巨大發(fā)展前途的動(dòng)力型鋰離子電池。超長(zhǎng)壽命，在室溫下1C充放電循環(huán)達(dá)2000次。

磷酸鐵鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)：安全性高。磷酸根化學(xué)鍵的結(jié)合力比較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好;環(huán)保且不含有任何重金屬;無(wú)毒(SGS認(rèn)證通過(guò))，無(wú)污染;充電速度快，磷酸鐵鋰離子電池可大電流5～10C快速充放電;大電流放電性能好;可10～50C大電流高功率放電。

磷酸鐵鋰離子電池的缺點(diǎn)：低溫性能劣于錳酸鋰等其他正極材料。磷酸鐵鋰離子電池的單體電壓是3.2V。36V的電池組要12個(gè)單體電池串聯(lián)。單體磷酸鐵鋰離子電池壽命目前超過(guò)2000次，但電池組的壽命可能只有500次。

五、電動(dòng)自行車用鋰離子電池的優(yōu)缺點(diǎn)

(一)電動(dòng)自行車用鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)

鋰離子電池的能量比鉛酸電池大一倍多，目前用鉛酸電池的電動(dòng)自行車充電一次可行駛50~70km，改用同重量的鋰離子電池可行駛100~150km，它的充放電次數(shù)也高，存在的問(wèn)題是：價(jià)格較高，為鉛酸電池的6倍，每部車配套需1800~2000元。再則現(xiàn)有規(guī)格都是適用于手機(jī)、筆記本電腦的小型號(hào)，有待開(kāi)發(fā)出10Ah以上的較大型號(hào)，這種蓄電池目前只能用于豪華型自行車或電動(dòng)摩托車，但是它的降價(jià)潛力較大，前景很好。

鋰離子電池電動(dòng)自行車具有的優(yōu)點(diǎn)是其壽命長(zhǎng)、重量輕、體積小。有一種外形小巧的鋰離子電池電動(dòng)自行車，重量只有16公斤左右，電池只有一本書(shū)大小，才2.5公斤重，可以放在包里拎著走，還可以用來(lái)給電腦充電，而與之馬力相當(dāng)?shù)你U酸電池重量則在15公斤左右。不過(guò)，這種電動(dòng)汽車價(jià)格比較貴，要2800多元一輛。“這種車上市才一周，價(jià)格比較高，但銷量比預(yù)想的好，一周時(shí)間就賣出好幾輛。”綠源電動(dòng)汽車負(fù)責(zé)人張先生介紹，這種車采用了鋰離子電池，充電一次可跑30公里左右。捷安特、普利司通等品牌專賣店里也有鋰離子電池電動(dòng)汽車。“鋰離子電池電動(dòng)自行車的動(dòng)力性能和鉛酸電池差不多，充電6~8小時(shí)，根據(jù)電池容量不同可跑30~45公里，重量只有鉛酸電池的1/5左右。”捷安特的銷售人員稱，鋰離子電池電動(dòng)自行車最大的優(yōu)點(diǎn)是壽命長(zhǎng)，一組電池可用4~5年，而鉛酸電池壽命只有2年左右。

(二)電動(dòng)自行車用鋰離子電池的缺點(diǎn)

鋰離子電池存在的缺點(diǎn)是價(jià)格偏高、市場(chǎng)份額僅4%。目前鋰離子電池電動(dòng)自行車的價(jià)格普遍比鉛酸電池電動(dòng)汽車高出幾百元到一千元，因此銷量不大。“兩者相差800多元，假如只差兩三百元我可能會(huì)考慮下。”正在選購(gòu)電動(dòng)自行車的張女士最后還是買了傳統(tǒng)的鉛酸電池電動(dòng)汽車。

六、電動(dòng)自行車用鋰離子電池存在的問(wèn)題及解決方法

鋰離子電池應(yīng)用于電動(dòng)自行車產(chǎn)品時(shí)間并不長(zhǎng)，其技術(shù)也并未達(dá)到很高的水平，因此，還存在著多方面的技術(shù)問(wèn)題，一定程度上制約著電動(dòng)自行車鋰離子電池行業(yè)的發(fā)展。

當(dāng)前，電動(dòng)自行車用鋰離子電池要解決的問(wèn)題重要是使用過(guò)程中的安全問(wèn)題，怎么樣解決安全問(wèn)題成為今后電動(dòng)自行車用鋰離子電池發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，在這里我們簡(jiǎn)單介紹一下如何解決這一問(wèn)題。

(一)過(guò)充

正常鋰電應(yīng)充電最高4.2伏，鐵鋰離子電池在此基礎(chǔ)上減0.5伏做上下限，充電高于4.3伏為過(guò)充。解決這一問(wèn)題，要精確測(cè)量電壓真值：采用科學(xué)的充電方式，充滿而不過(guò)充;合理的設(shè)置單節(jié)過(guò)充保護(hù)電壓點(diǎn)：如：4.2V±0.05V，確保不會(huì)過(guò)充而爆炸。

(二)過(guò)放

鋰離子電池放電最低3.2伏，放電低于3伏為過(guò)放，精確測(cè)量電量真值：采用科學(xué)、安全的放電方式，放完而不過(guò)放;合理的設(shè)置單節(jié)過(guò)放保護(hù)電壓點(diǎn)：如：3.20V±0.05V，確保不會(huì)過(guò)放而爆炸。

(三)電池溫度檢測(cè)

鋰離子電池溫度過(guò)高將會(huì)出現(xiàn)爆炸的可能，因此，要監(jiān)控每節(jié)電池的溫度，確保不會(huì)因?yàn)殡姵販囟冗^(guò)高而出現(xiàn)爆炸。

(四)過(guò)流保護(hù)

鋰離子電池有個(gè)額定電流，不允許超過(guò)額定電流，否則會(huì)燒壞電池。因此，要精準(zhǔn)測(cè)控充放電電流，并高效快速地采取過(guò)流保護(hù)措施，當(dāng)電流超過(guò)設(shè)定電流時(shí)候，防止短路、反接等事故發(fā)生。

(五)均衡

鋰離子電池單體電壓存在著偏差，若不進(jìn)行均衡控制，隨著充放電循環(huán)的新增，各單體電池電壓逐漸分化，使用壽命將大大縮減。當(dāng)對(duì)一組鋰離子電池充放電時(shí)，考慮到各個(gè)單體電池的不一致性，可采取均衡措施來(lái)確保安全性和穩(wěn)定性。

鋰?yán)与姵乇粡V泛應(yīng)用儲(chǔ)能電源系統(tǒng)，郵電通訊的不間斷電源，以及電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)汽車、特種裝備、特種航天等多個(gè)領(lǐng)域。

鋰離子電池在電動(dòng)自行車領(lǐng)域的應(yīng)用，雖然還未達(dá)到較成熟的程度，但目前良好的發(fā)展前景，以及鋰離子電池在電動(dòng)自行車產(chǎn)品上所表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)良特性，使鋰電自行車得到較為快速的發(fā)展。

此外，目前開(kāi)發(fā)的大容量鋰離子電池已在電動(dòng)汽車中開(kāi)始試用，預(yù)計(jì)將成為21世紀(jì)電動(dòng)汽車的重要?jiǎng)恿﹄娫粗唬⒃谌嗽煨l(wèi)星、特種航天和儲(chǔ)能方面得到應(yīng)用。

隨著能源的緊缺和世界的環(huán)保方面的壓力。鋰電現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車行業(yè)，特別是磷酸鐵鋰材料電池的出現(xiàn)，更推動(dòng)了鋰離子電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步與突破。