由于锂离子电池内部化学材料的特性,锂离子电池有一个合理的工作温度范围(常见的数据在-40℃~60℃之间),如果超出了合理的范围使用,会对锂离子电池的性能造成较大的影响。
不同材料的锂离子电池,其工作温度范围也是不一样的,有些具有良好的高温性能,有些则能够适应低温条件。锂离子电池的工作电压、容量、充放电倍率等参数都会随着温度的变化而发生非常显著的变化。长时间的高温或低温使用,也会使得锂离子电池的寿命加速衰减。因此,努力创造一个适宜的工作温度范围,才能够大限度的提升锂离子电池的性能。
除了工作温度有限制之外,锂离子电池的存储温度也是有严格约束的,长期高温或低温存储,都会对电池性能造成不可逆的影响。
锂离子电池能量密度,指的是单位体积或单位重量的电池,能够存储和释放的电量,其单位有两种:Wh/kg,Wh/L,分别代表重量比能量和体积比能量。这里的电量,是上面提到的容量(Ah)与工作电压(V)的积分。在应用的时候,能量密度这个指标比容量更具有指导性意义。
基于当前的锂离子电池技术,能够达到的能量密度水平大约在100~200Wh/kg,这一数值还是比较低的,在许多场合都成为锂离子电池应用的瓶颈。这一问题同样出现在电动汽车领域,在体积和重量都受到严格限制的情况下,电池的能量密度决定了电动汽车的单次大行驶里程,于是出现了“里程”这一特有的名词。如果要使得电动汽车的单次行驶里程达到500公里(与传统燃油车相当),电池单体的能量密度必须达到300Wh/kg以上。
锂离子电池能量密度的提升,是一个缓慢的过程,远低于集成电路产业的摩尔定律,这就造成了电子产品的性能提升与电池的能量密度提升之间存在一个剪刀差,并且随着时间不断扩大。
锂离子电池是采用可嵌入锂的材料作负极,含锂的化合物作正极,聚丙烯/聚乙烯多孔膜作隔离层,锂盐溶于剂作电解液的锂二次电池。锂化合物正极活性材料、碳黑等材料与粘接剂混和制浆,涂覆在集流体铝箔上,经烘干、辊压制成正极片;石墨等碳负极材料涂覆在铜箔上,采用与正极相同的方法制成负极片;正、负极片之间插入微孔聚丙烯等薄隔膜作为隔离层,卷绕或叠片成圆柱形或矩形,装入电池壳,经焊接引出电池正负极,再加入电解质溶液,化成、封口,即成为单体电池。
锂离子动力电池单体的形状有圆柱、矩形金属壳(铝/钢)和矩形软包散装,圆柱电池包括主要用于笔记本电脑的现在特斯拉汽车公司选用的18650圆柱电池和直径及长度更大的圆柱电池,电芯通过卷绕方式制作。矩形电池一般容量较大,电芯通过卷绕、Z形叠片、卷绕+叠片、正极包膜叠片、叠片+卷绕等方式制作。软包电池电芯的制作方式与矩形金属壳电池相同。
圆柱型电芯技术最成熟,制造成本较低,但大型圆柱电池的散热能力较差,故一般选用小圆柱电池。车用电池组容量大,电池数量多,管理系统较为复杂和昂贵。矩形电池中卷绕结构电池制作工艺较简单,但主要适合于软极片电池,采用磷酸铁锂和三元材料的电池均可用此方法。但尖晶石正极材料电池因极片硬而不能采用此方式制作。叠片式电池适应于各种材料体系,可靠性高,寿命比同型号卷绕电池长,通用Volt插电式混合动力汽车和日产Leaf纯电动汽车的电池均采用叠片工艺制造。电动袋式叠片电池结构见图8。叠片工艺制造的电池过程复杂一些,但寿命比用相同材料体系扁形卷绕的电池长