三元锂电池的概述

可充电锂离子电池3.7v 89ah三元锂电池

三元锂电池是锂电池的一种，其正极是由三元材料制成。三元材料通常指镍、钴和锰，有些三元锂电池的正极也会由镍、钴和铝制成。三元聚合物锂电池是指正极材料使用锂镍钴锰三元正极材料的锂电池，具有能量密度高、成本相对较低、循环性能优异等特点。

三元锂电池的发展历程可追溯到1970年，当时埃克森公司的M.S.Whittingham成功研制出首个锂电池。1992年，索尼公司成功开发出商用锂离子电池。1997年至2000年间，镍钴锰、镍钴铝等三元材料的锂电池相继面世，但在很长一段时间内，其市场占有率低于磷酸铁锂电池。2004 年，锂电池引入中国，磷酸铁锂一直是中国动力电池的主流路线，锰酸锂和三元材料使用者寥寥可数。2007 年，比亚迪发布了旗下最新的磷酸铁锂电池，正式进军新能源汽车领域。此后数年，以比亚迪为首的磷酸铁锂电池主导着中国的新能源汽车市场。然而，随着新能源汽车转型的风口扩大，磷酸铁锂电池能量密度低的弊端开始显露。2013 年，特斯拉在一季度盈利，放大了三元材料的优势。2014 年北京车展上，多家厂家表示在最新车型中将采用三元材料。2016 年，中国首次将电池系统能量密度纳入新能源汽车补贴标准，三元锂电池市占率得到较快发展。2018 年，三元锂电池整体装机量首次超越磷酸铁锂电池，宁德时代凭借旗下的三元锂电池占据了动力电池领域的半壁江山。

三元锂电池在不同领域都有着重要的应用。在新能源汽车领域，其高能量密度能够满足车辆对续航里程的要求，成为众多纯电动汽车的选择。在电力系统中，三元锂电池可以作为储能设备，平衡电网负荷。此外，三元锂电池还应用于动力电池、3C 数码等消费电子产品领域。其优点在于能量密度高，能够在相同体积和重量下提供更多的电量；成本相对较低，有利于降低产品价格；循环性能优异，能够延长电池的使用寿命。

综上所述，三元锂电池作为一种先进的储能技术，具有重要的定义、丰富的发展历程和广泛的应用领域。

三元锂电池的结构组成

圆柱锂电池LG MJ1 18650 3.7V 3500mah三元锂电池

正极材料

正极材料的组成：三元锂电池的正极材料通常是由镍、钴、锰（或铝）的化合物形成，如锂镍钴锰氧化物（LiNiCoMnO2 或 NMC）。其中，镍、钴、锰（或铝）这三种金属元素缺一不可，多一个或者少一个都会影响其最终的表现或做不成电池。

不同比例的正极材料：根据正极材料中镍钴锰（或铝）三种元素的混合比例不同，有不同的三元型号，如 333 型、523 型、811 型等。不同比例对电池性能有着显著影响。提高镍的比例，可以增大电池的能量密度；提高钴的比例，可以延长电池的寿命并提高充电速度；提高锰（或铝）的比例，可以增强电池的稳定性和降低成本。例如，国内主流 NCM 还是 NCM523/622 体系，正在快速向 NCM811 体系切换。NCM811 电池指三元锂电池中正极材料的镍钴锰比例为 8:1:1，能量密度可以达到 280Wh/kg。

正极材料中各元素的作用：镍是副族中的活性金属，主要作用是提升电池的体积能量密度，是提升续航里程的主要突破口；钴也是副族中的活性金属，起到提升稳定性和延长电池的寿命的作用，也决定了电池的充放电速度和效率（倍率性能）；锰（或铝）提高电池的安全性和稳定性。

负极材料

负极材料通常为石墨，石墨是一种多层结构材料，具有良好的容量，可以容纳锂原子。在电池中，石墨能够很好地容纳锂原子，实现电池的充放电过程。

负极材料的嵌锂和释放锂离子的过程如下：在充电过程中，锂离子从正极材料中脱出，通过电解液迁移到负极，并嵌入到石墨的多层结构中；在放电过程中，锂离子从石墨中脱出，再次通过电解液迁移回正极，从而实现锂离子的释放。

电解液

电解液的成分通常是有机溶剂和锂盐的混合物。锂电池电解液成分主要由三部分构成：溶剂包括环状碳酸酯（PC、EC）、链状碳酸酯（DEC、DMC、EMC）、羧酸酯类（MF、MA、EA、MA、MP 等）；锂盐有 LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAsF6 等；添加剂包括成膜添加剂、导电添加剂、阻燃添加剂、过充保护添加剂、控制电解液中 H2O 和 HF 含量的添加剂、改善低温性能的添加剂、多功能添加剂。

电解液的作用是提供良好的离子传导性，促进锂离子在正负极之间的转移。它是电池中正负极之间的导电介质，能够使锂离子在电池内部顺利迁移，实现电池的充放电功能。

电解液的热稳定性对三元锂电池的安全性能至关重要。由于三元锂电池的热稳定性较差，在温度达到300℃之前就会分解产生氧分子，一旦遇到电池中可燃的电解液和碳材料，就会迅速引发燃烧。产生的热量会进一步加剧正极材料的分解，从而在极短的时间内导致电池爆燃。因此，对电解液的热稳定性有严格要求。因此，电解液的热稳定性对电池安全至关重要。需要选择热稳定性好的电解液成分，以提高电池的安全性。

隔膜

隔膜的作用是正负极之间的物理隔离层，防止直接接触而引发短路。它能让锂离子通过，但电子只能通过外电路，从而实现电流的产生。

常用的隔膜材料及其特性，如聚丙烯膜和聚乙烯膜等。商品化锂离子电池隔膜材料主要采用聚乙烯、聚丙烯微孔膜。聚烯烃材料具有优异的力学性能、化学稳定性和相对廉价的特点。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性。隔膜需要具有电子绝缘性，保证正负极的机械隔离；有一定的孔径和孔隙率，保证低的电阻和高的离子电导率，对锂离子有很好的透过性；由于电解质的溶剂为强极性的有机化合物，隔膜必须耐电解液腐蚀，有足够的化学和电化学稳定性；对电解液的浸润性好并具有足够的吸液保湿能力；具有足够的力学性能，包括穿刺强度、拉伸强度等，但厚度尽可能小；空间稳定性和平整性好；热稳定性和自动关断保护性能好。

电池壳体

电池壳体的材质，一般由金属或塑料制成。

电池壳体的功能，为电池提供结构支撑和保护，具备一定的强度和耐腐蚀性。它能够保护电池内部的正负极材料、电解液和隔膜等组件，防止外部环境对电池的影响，同时也为电池提供了一定的结构强度，使其能够在各种应用场景中稳定工作。

三元锂电池的工作原理

充电时锂离子的移动路径和反应过程。

当对三元锂电池进行充电时，外接电源提供的电能使得正极材料中的镍、钴、锰（或铝）发生氧化反应，失去电子。锂离子从正极材料的晶格脱出，进入电解液中。在电解液中，锂离子在电场的作用下向负极移动，穿过隔膜后运动到负极。同时到达负极一侧的锂离子嵌入到负极材料石墨的多层结构中。具体来说，正极发生的反应可以表示为 LiNiCoMnO2（或类似的三元材料）→Li1-xNiCoMnO2 + xLi+ + xe-，其中 x 表示脱出的锂离子数量。负极发生的反应为 xLi+ + xe- + C6（石墨）→LixC6，这里的 C6 代表石墨的化学式，LixC6 表示嵌入锂离子后的石墨。

放电时锂离子的移动路径和反应过程。

在放电过程中，发生与充电相反的过程。负极的 LixC6 失去锂离子，锂离子从石墨中脱出，通过电解液迁移回正极。在正极，锂离子重新嵌入到三元材料的晶格中，同时伴随着电子通过外电路从负极流向正极，完成放电过程。正极反应为 Li1-xNiCoMnO2 + xLi+ + xe-→LiNiCoMnO2（或类似的三元材料），负极反应为 LixC6→xLi+ + xe- + C6（石墨）。

与金属锂电池的本质差别。

三元锂电池与金属锂电池有着本质的差别。首先，在正极材料方面，三元锂电池的正极是由镍、钴、锰（或铝）的化合物组成，而金属锂电池的正极通常是金属锂。这使得三元锂电池在安全性方面相对金属锂电池有了很大的提高。金属锂非常活泼，在充放电过程中容易产生锂枝晶，导致电池内部短路，甚至引发安全事故。而三元锂电池的正极材料相对稳定，不易产生类似的问题。

其次，在工作原理上，三元锂电池是通过锂离子在正负极之间的嵌入和脱出实现充放电，而金属锂电池则是通过金属锂在正负极之间的沉积和溶解来实现。这也导致了两者在性能上的差异。三元锂电池的能量密度相对较高，但比金属锂电池略低。然而，三元锂电池的循环寿命更长，安全性更好，更适合大规模应用于新能源汽车等领域。

综上所述，三元锂电池在工作原理上与金属锂电池有着明显的区别，这些区别使得三元锂电池在实际应用中具有更大的优势。

三元锂电池的特点

3.7V 4000mAh圆柱电池 21700 三元锂电池

高能量密度

高能量密度是指三元锂电池在单位体积或单位质量内储存的电能较大。这使得三元锂电池在相同的体积和重量下，能够提供更多的电量，满足各种电子设备和电动汽车对续航里程的需求。

正极材料的组成和结构优化是实现高能量密度的关键。三元锂电池的正极材料通常由镍、钴、锰（或铝）的化合物组成，如锂镍钴锰氧化物（LiNiCoMnO2 或 NMC）。通过调整正极材料中镍、钴、锰（或铝）的比例，可以提高电池的能量密度。例如，提高镍的比例可以提升电池的体积能量密度，是提升续航里程的主要突破口。同时，采用富锂正极材料可以进一步增加电池的能量储存能力。此外，优化正极材料的结构，如采用单晶化技术，可以提高压实密度，从而提高能量密度。

高安全性

富锂正极材料的结构稳定性较好，不易发生热失控或针尖状穿刺等危险情况。富锂正极材料在设计上采用了特殊的结构，能够有效地抑制电池内部的化学反应，降低热失控的风险。同时，富锂正极材料还具有较高的热稳定性，能够在一定程度上抵抗外部环境的高温影响。

电解液的配方和隔膜的设计对安全性的保障也起着重要作用。电解液是电池中正负极之间的导电介质，其配方的选择直接影响电池的安全性。例如，选择热稳定性好的电解液成分，可以提高电池的安全性。此外，隔膜的设计也非常关键。隔膜作为正负极之间的物理隔离层，能够防止直接接触而引发短路。采用高质量的隔膜材料，如聚丙烯膜和聚乙烯膜等，可以提高电池的安全性。同时，对隔膜进行表面改性，如涂覆无机纳米颗粒或有机聚合物等，可以进一步提高隔膜的耐高温性和电化学性能，增强电池的安全性。

长循环寿命

由于采用了富锂正极材料和优化的电解液配方，三元锂电池能够经受数百次乃至上千次的充放电循环。富锂正极材料具有较好的结构稳定性和电化学性能，能够在充放电过程中保持较高的容量和稳定的性能。同时，优化的电解液配方可以促进电极材料表面上形成高质量的表面膜，抑制电解液的氧化分解，从而延长电池的循环寿命。

三元锂电池保持较高容量和稳定性能的原因主要有以下几点：首先，正极材料的结构稳定性和电化学性能是关键因素。富锂正极材料能够在充放电过程中保持较好的结构完整性，减少电极材料的损失。其次，电解液的配方优化可以提高电池的稳定性。通过选择合适的添加剂，可以促进电极材料表面膜的形成，抑制副反应的发生。最后，电池的管理系统也非常重要。良好的电池管理系统可以对电池的充放电过程进行有效的监控和管理，避免过充、过放等情况的发生，从而延长电池的循环寿命。

快充性能

正极材料结构的特殊设计，能够提供更多的锂离子传输通道，加快充电速度。例如，采用单晶化技术可以提高正极材料的压实密度，增加锂离子的传输通道。同时，优化正极材料的成分比例，如提高镍的比例，可以提高电池的充电速度。

快充性能在实际应用中的优势非常明显。对于电动汽车等需要快速充电的设备来说，快充性能可以大大缩短充电时间，提高用户的使用便利性。同时，快充性能也可以提高设备的使用效率，减少因充电时间过长而导致的设备闲置时间。此外，快充性能还可以降低对充电设施的需求，减少充电设施的建设成本。

适应性广

三元锂电池可用于手持设备、电动车辆、储能系统等不同领域。在手持设备领域，三元锂电池的高能量密度和小体积可以满足设备对轻便性和续航能力的要求。在电动车辆领域，三元锂电池的高能量密度和长循环寿命可以为车辆提供更长的续航里程和更可靠的性能。在储能系统领域，三元锂电池的高能量密度和快速充放电性能可以实现对电能的高效存储和释放。

三元锂电池能够满足各种功率需求和使用场景的能力主要得益于其优异的性能特点。首先，三元锂电池的高能量密度可以满足不同设备对电量的需求。其次，三元锂电池的长循环寿命可以保证设备在长期使用过程中的可靠性。最后，三元锂电池的快充性能和适应性广可以满足不同设备在不同使用场景下的需求。

三元锂电池的正确充电方法

三元锂电池的正确充电方法对于延长电池寿命和确保使用安全至关重要。以下是具体的充电方法：

1.用配套的充电器，充满后辅充一个小时。

使用配套的充电器可以确保充电电压和电流符合电池的要求，避免对电池造成损害。当电池充满后，进行一个小时的辅充有助于进一步激活电池性能，提高电池的稳定性和续航能力。例如，在一些新能源汽车的使用中，配套的充电器能够根据车辆的电池特性进行精准充电，充满后辅充的过程可以让电池更好地适应车辆的使用需求。

2.放电到还剩 20% 左右再充电，避免过度放电损坏电池。

尽量避免将三元锂电池的电量完全用光再充电。当发现用电设备的性能开始下降时，通常意味着电池电量低，此时就应该为电池充电了。一般来说，当电池电量剩余 20% 左右时进行充电，可以有效避免过度放电对电池造成的损坏。例如，在使用智能手机等设备时，如果经常将电池电量用到极低甚至自动关机，会大大缩短电池的使用寿命。

3.充电时尽量一次充满，注意最高充电终止电压和放电终止最低电压。

三元锂电池在充电期间，切勿频繁充放电，应尽量一次性充满。这样可以减少电池的损耗，提高电池的循环寿命。同时，要注意最高充电终止电压和放电终止最低电压，避免过充或过放。不同型号的三元锂电池可能有不同的电压要求，因此在充电时应严格按照产品说明书进行操作。例如，一些新能源汽车的电池管理系统会对充电过程进行严格监控，当电池电量达到设定的最高充电终止电压时，会自动停止充电，以保护电池安全。

总之，正确的充电方法可以延长三元锂电池的使用寿命，提高其性能和安全性。在使用三元锂电池时，应严格按照上述方法进行充电，以确保电池的正常使用。

三元锂电池的回收方法

三元锂电池的回收对于资源的再利用和环境保护具有重要意义。目前主要的回收方法有碱液溶解法、有机溶剂溶解法和高温热解法。

1.碱液溶解法的原理、优点和缺点。

碱液溶解法是在碱浸过程中，利用三元锂电池的铝箔与碱液反应生成 NaAlO2，而正极材料不发生反应，从而实现集流体铝箔的去除和电极材料的富集。

原理：LIBs 铝箔与碱液发生反应，主要反应为 [具体化学方程式]。通过该反应，铝箔被溶解，而正极材料得以保留，实现了集流体铝箔与电极材料的分离。

优点：在于操作简便，具有较高的分离效率，适合推广至大规模工业化生产。

缺点：包括易产生氢气，导致设备腐蚀，对后续的浸出过程产生不良影响，同时对人体健康构成潜在威胁，因此需要额外采取防护措施。

2.有机溶剂溶解法的原理、优点和缺点。

有机溶剂溶解法依据相似相溶原理，通过有极性的有机溶液溶解废旧三元聚合物锂电池中的粘结剂聚偏氟乙烯（PVDF），从而实现正极活性物质与铝箔的分离。

原理：在于利用相似相溶的特性，市面上普遍采用N-甲基吡咯烷酮（NMP）作为调浆剂来溶解PVDF，从而实现正极活性物质从铝箔上的有效脱落。

优点：包括分离效果好、耗时短、不破坏铝箔；有机溶剂可回收并二次利用；能够高效分离活性物质与铝箔。

缺点：在于NMP价格昂贵且毒性较大；有机溶剂无法完全溶解PVDF，且不适用于所有类型的黏接剂分离；此外，对生态环境存在潜在危害，不符合绿色生产理念。

3.高温热解法的原理、优点。

高温热解分离主要依据正极活性材料、铝箔、粘结剂的分解温度的差异，利用黏结剂在高温条件下会分解失效的特性，实现正极材料活性物质的分离。

原理：正极活性材料（约在 600℃）、铝箔（660℃）、粘结剂（350～400℃）在不同温度下会发生不同的变化。在高温条件下，粘结剂分解失效，从而使正极材料活性物质从铝箔上分离出来。

优点：在于操作简便，能有效避免铝的干扰，确保目标产物纯净；同时，能有效去除粘结剂与石墨，避免有害气体的产生。此外，高温热解法能够高效、安全地处理废旧锂电池，实现资源的回收利用，显著降低环境污染。通过精确控制温度和反应条件，有机物被转化为气体和可回收的油类物质，而金属成分则得以有效保留，便于后续的提取和再利用。此外，设备设计考虑了多重密封设计、氮气保护和外置多级防爆保护，确保处理过程的安全；采用自动化、分段控制的温度调节系统，确保处理过程的稳定性和高效性。