3.5 锂离子电池设计及性能检测技术
锂离子电池和 其他二次电池一样是有正极活性物质，隔膜，电解液，电池壳等组成，设计时的基本思路和
其他二次电池有许多相似之处，因此，本章在介绍化学电源设计的同时讨论锂离子电池的设计和性能检测技
术。

3.5.1

电池设计基础

⑴电池设计的基本原则
电池设计，就是根据仪器设备的要求，为设备提供工作电源或动力电源。因此，电池设计首先必须根据

用电器的需要及电池的特性，确定电池的电极，电解液（电解质）。隔膜，外壳以及其他部件的参数，并对
工艺参数进行优化，并将它们组成有一定规格和指标（如电压，容量，体积和重量等）的电池或电池组。电
池设计是否合理，关系到电池的使用性能，必须尽可能使其达到设计最优化。

⑵电池的设计要求
电池设计时，必须了解用电器具对电池性能指标及电池使用条件，一般应考虑以下几个方面。

1

电池的工作电压

2

电池的工作电流，即正常放电电流和峰值电流；

3

电池工作时间，包括连续放电时间，使用期限或循环寿命；

4

电池工作环境，包括电池工作环境及环境温度，如锂离子电池用作卫星电源时，卫星在不同的运行
轨道，其环境温度相差很大。

5

电池的最大允许体积，特别时随着电子产品的小型化和轻量化，允许电池存在的空间将越来越有限。

锂离子电池由于其具有优良的性能，适用范围越来越广，有时要应用于一些特殊场合，因而还有一些

特殊要求，如耐冲击，振动，加速度及低温，低气压等。
⑶评价电池性能的主要目标
电池性能一般通过以下几个方面来评价。

1

容量。电池容量是指在一定放电条件下，可以从电池获得的电量，即电流对时间的积分，一般用 mA.h
或 A.h 来表示，它直接影响到电池的最大工作电流和工作时间。

2

放电特性和内阻。电池的放电特性是指电池在一定的放电制度下，其工作电压的平稳性，电压平台
的高低以及大电流放电性能等，它表明电池代负载的能力。电池内阻包括欧姆电阻核电化学电阻，
大电流放电时，内阻对放电特性的影响尤为明显。

3

工作温度范围。用电器具的工作环境和使用条件要求电池在特定的温度范围内有良好的性能。

4

贮存性能。电池贮存一段时间后，会因某些因素的影响使性能发生变化，导致电池自放电，电解液
泄漏，电池短路等。

5

循环寿命（二次放电）

。循环寿命是指二次电池按照一定的制度进行充放电，其性能衰减到某一程度

时的循环次数。

6

内压和耐过充电性能（二次电池）

。对于密封的锂离子电池，大电流充电过程中电池内压能否达到平

衡，平衡压力的高低，电池乃大电流过充性能等都是衡量电池性能优劣的重要指标，如果电池内部
压力达不到平衡或平衡压力过高，就会使电池限压装置开启而引起电池泄气或漏液，从而很快导致
电池失效。如果限压装置失败，则有可能会引起电池壳体开裂或爆炸。

⑷决定电池特性的主要因素

1

电池活性物质的选择

电池活性物质的类型决定了电极的理论容量和电极的平衡单位，从而决定了电池的容量和电动势。电

极活性物质的化学当量越小，它的电化当量也越小，其理论比容量就越大。

通常选择活性物质时理论比容量越大越好。物质的理论比容量不但与物质的原子量有关，而且与物

质反应时的得失电子数有关。例如，元素周期表第三周期元素 Na,Mg,Al 三种元素，它们的原子量分别
为 22.99，24.32，26.98，参加电极反应时得失电子数分别为 1，2，3，因而化学当量分别为 22.99/1=22.99；
24.32/2=12.6；

26.98/3=8.99 电化当量分别为 22.99/26.8=0.857g.(A.h)

-1

;12.16/26.8=0.454g.(A.h)

-1

。

显然，Al 的电化当量最小理论比容量最高。

不同的物质其理论比容量相差很大。因此在设计电池时，宜选择电池理论比容量大的电极活性物质。