现代有轨电车混合动力技术锂离子电池种类与特点

（1）锂离子电池的种类 根据锂离子电池所用电解质材料不同，可以分为液态锂离子电池（Lithium Ion Battery）和聚合物锂离子电池（Polymer Lithium Ion Battery）两大类。

液态锂离子电池和聚合物锂离子电池所用的正负极材料都是相同的，电池的工作原理也基本一致。一般正极使用LiCoO₂，负极使用各种碳材料如石墨，同时使用铝、铜作集流体。表4-5进行了两种锂离子电池结构的对比分析。

表4-5 锂离子电池结构比较

液态锂离子电池与聚合物锂离子电池的主要区别在于电解质的不同，液态锂离子电池使用的是液体电解质，而聚合物锂离子电池则使用固体聚合物电解质，这种聚合物可以是“干态”的，也可以是“胶态”的，目前大部分采用胶体聚合物电解质。其中，液态锂离子电池是指Li⁺嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂化合物LiCoO₂、LNiO₂或LiMn₂O₄，负极采用锂—碳层间化合物Li_xC₆。

锂聚合物电池（Li-polymer，又称高分子锂电池），具有能量密度高、体积更小、超薄化、轻量化和高安全性等多种明显优势。在形状上，锂聚合物电池具有超薄化特征，可以配合各种产品的需要，制作成任何形状与容量的电池；在安全性上，外包装为铝塑包装，有别于液态锂电的金属外壳，内部质量隐患可立即通过外包装变形显示出来，一旦出现安全隐患，不会爆炸，只会鼓胀。

由于聚合物锂离子电池使用了胶体电解质，不会像液体电液那样泄漏，所以装配很容易，使整体电池很轻、很薄，也不会产生漏液与燃烧爆炸等安全问题，因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳，从而提高整个电池的比容量。聚合物锂离子电池还可以采用高分子做正极材料，其能量密度将会比目前的液态锂离子电池提高50%以上。此外，聚合物锂离子电池在工作电压、充放电循环寿命等方面比液态锂离子电池都有所提高。基于以上优点，聚合物锂离子电池被誉为下一代锂离子电池。

聚合物锂离子电池的主要结构包括正极、负极与电解质三项要素。在这三项主要结构要素中，至少有一项或一项以上使用高分子材料作为主要的电池系统。而在目前所开发的聚合物锂离子电池系统中，正极和电解质主要采用高分子材料。正极材料包括导电高分子聚合物或一般锂离子电池所采用的无机化合物，电解质则可以使用固态或胶态高分子电解质，或是有机电解液。一般锂离子技术使用液体或胶体电解液，因此需要坚固的二次包装来容纳可燃的活性成分，这就增加了质量，另外也限制了尺寸的灵活性。而聚合物锂离子工艺中没有多余的电解液，因此它更稳定，也不易因电池的过充电、碰撞或其他损害以及过量使用而造成危险情况。

新一代的聚合物锂离子电池在形状上可做到薄形化、任意面积化和任意形状化，大大提高了电池造型设计的灵活性，从而可以配合产品需求，做成任何形状与容量的电池，为应用设备开发商在电源解决方案上提供了高度的设计灵活性和适应性，以最大化地优化其产品性能。同时，聚合物锂离子电池的容量、充放电特性、安全性、工作温度范围、循环寿命与环保性能等方面都较锂离子电池有大幅度的提高。

（2）聚合物锂离子电池的优势和劣势

聚合物锂离子电池可分为三类：

1）固体聚合物电解质锂离子电池。电解质为聚合物与盐的混合物，这种电池在常温下的离子电导率低，适于高温使用。

2）凝胶聚合物电解质锂离子电池。即在固体聚合物电解质中加入增塑剂等添加剂，从而提高离子电导率，使电池可在常温下使用。

3）导电聚合物锂离子电池。采用导电聚合物作为正极材料，其比能量是现有锂离子电池的3倍，是最新一代的锂离子电池。(www.xing528.com)

聚合物锂离子电池的优势在于：

①超薄化，以致于电池能够组装进信用卡中；

②质量轻，采用聚合物电解质的电池无须金属壳作为保护外包装；

③外形灵活，制造商不用局限于标准外形，能够经济地做成合适的大小；

④安全性能提升，过充时更稳定，电解液泄漏的几率更低。

聚合物锂离子电池的局限在于：

①和锂离子电池相比，能量密度和循环次数都有下降；

②制造成本很高；

③没有标准外形，大多数电池为高容量消费市场而制造，价格/能量比较高。

（3）磷酸铁锂动力电池 磷酸铁锂电池的全名是磷酸铁锂锂离子电池，指正极材料为磷酸铁锂（LiFePO₄）的锂离子电池，属于锂离子电池中的新兴产品。与较早应用的Li-CoO₂、LiMnO₄、LiNiMO₂等锂电池相比，磷酸铁锂电池在循环寿命和安全性等方面具有明显优势，目前已成为车辆行业和轨道交通行业应用较多的电池产品。由于它的性能特别适于作动力方面的应用，则在名称中加入“动力”两字，即磷酸铁锂动力电池，也有人把它称为“锂铁动力电池”。

LiFePO₄在自然界以磷铁锂矿的形式存在，属于橄榄石型结构。LiFePO₄实际最大放电容量可高达165mA·h/g，非常接近其理论容量，工作电压为3.2V左右。并且LiFePO₄中的强共价键作用使其在充放电过程中能保持晶体结构的高度稳定性，因此具有比其他正极材料更高的安全性能和更长的循环寿命。另外，LiFePO₄具有原材料来源广泛、价格低廉、无环境污染、比容量高等优点，使其成为现阶段各国竞相研究的热点之一。

LiFePO₄正极材料常用的合成方法有高温固相法、水热法。高温固相法工艺简单、易实现产业化，但产物粒径不易控制，形貌也不规则，并且在合成过程中需要惰性气体保护。水热法可以在水热条件下直接合成LiFePO₄，由于氧气在水热体系中的溶解度很小，所以水热合成法不需要惰性气体保护，而且产物的粒径和形貌易于控制。目前LiFePO₄正极材料的缺点主要是低电导率问题，有效的改进方法主要有表面包覆碳膜法和掺杂法。

目前，中国国内建设的大型锂离子动力电池生产厂家，如杭州万向、苏州星恒、天津力神、深圳沃特玛等，均以磷酸铁锂电池的产业化为主要目标。在国内装车示范的车辆中，该类型电池也已经成为主流产品之一。