第1章 锂电池概述

1.1 锂电池的背景与意义

自20世纪60年代之后，工业发展迅速，它一方面促进了人类进步，另一方面也使人类面临着环境污染和能源危机等问题。在各个领域中，石油的大量消耗给地球带来了非常严重的空气污染，还带来了能源危机，并引发了一系列的经济、政治问题。资源的危机会影响到科技的迅速发展，甚至给人类生存带来严重影响。空气污染引发的各种恶劣天气，使我国的各个城市都受到了严重的影响，特别是对植物和人类都有非常大的影响，导致全球温度升高和冰川融化等。因此，资源的匮乏和环境的污染逐渐得到世界的重视。在这种环境下，新能源技术在各个国家的关注和大力支持下得到持续发展，我国已将资源和环境问题提升到了国家战略的高度。

锂电池作为当今世界不可或缺的能源，具有重量轻和携带方便等突出优点，被应用到社会的各个领域，如汽车、手机、计算机等。因此，人们需要更加重视锂电池的消耗和污染问题。以现在的科技条件来看，锂电池的应用技术还不够成熟，依然存在着很多需要解决的问题，如手机爆炸、移动电池爆炸、电池着火等安全问题。因此，锂电池的应用和维护技术成为研究热点，进而对锂电池的可靠性、安全性和使用寿命的改善，也成了锂电池的重大课题。

在锂电池的工作过程中，人们可以通过电池管理系统（Battery Management System，BMS）来检测电池的使用状态是否良好，以及锂电池的重要参数是否正常，如果锂电池在工作过程中发生了某种不正常的现象，电池管理系统可以进行报警，还可以及时地切掉电源，避免造成二次事故。它可以使得电池在使用的过程中更加安全可靠，并且可以延长电池的使用寿命。近几年来，BMS的技术已经被国内外高校、科研机构和公司当作一个重要的发展方向和研究对象。

对电池荷电状态（State of Charge，SOC）的预测一直都是电池管理系统的一个非常重要的工作。电池SOC也叫剩余容量，代表电池使用一段时间或长期搁置不用后，剩余可放电容量与其完全充电状态的容量的比值。电池的荷电状态可以反映出电池的续航能力或电池的剩余使用时间。在现今社会中，几乎所有可以循环使用的设备都需要进行维护，电池也不例外，电池的维护技术会影响到电池在被使用时的性能，进而影响到用户在使用过程中的体验。电池在工作过程中，电池管理系统会反映电池的状态，而电池的荷电状态就是重要的数据之一。电池的状态预测是一个很有意义的技术，但是要对锂电池进行有效等效建模和SOC准确估计又是一个难题，因为用设备直接测量去得到电池的SOC是不可能的。SOC是一个动态参数，要想预测电池的SOC，就需要去测量电池的电压、电流、温度和内阻等参数，通过关系式去估计电池的SOC。而SOC的值并不能进行很准确的预测，因为在这个过程中会受到很多干扰，例如电池电压等因素，这也就大大增加了SOC估计的难度。所以尽可能准确地估计电池的SOC值是非常有必要的。

准确地进行锂电池SOC估计，对其发展具有重大的理论价值和现实意义。首先，可以使锂电池在使用时更加安全，其次可以提高电池的性能。科学地使用电池会增加使用时长。如果能够准确地估计电池的SOC，电池管理系统就能够检测并显示电池的使用状态，通过数据指导人们对电池进行维护，这样不仅大大降低了维护费用和时间，而且能让电池在被使用的过程中保持高性能，提高用户的使用体验并且延长电池的使用寿命。

在各类动力电池中，锂电池因其相对于其他电池有着很多突出的优点而被人们广泛应用于各个领域，并且逐渐被越来越多的人研究。先进的技术是人们研究锂电池的前提，科学技术的进步也使人们在锂电池的研究方面发展迅速，取得了很好的成绩。随着对锂电池的研究越来越深，锂电池的各种特性逐渐被人们了解。锂电池具有电压高、重量轻和能量密度高等特性，还可以快速充电，在现代社会中的发展相当快，已经被应用于社会的方方面面。在锂电池使用的最早期，它可以使植入人体的起搏器中长时间运作而不用重新充电。随着数码产品的快速发展和广泛应用，锂电池也被应用于各种数码产品中。锂电池还应用于各种储电系统。如今世界各国都积极地投入锂电池的研发当中，而美国作为发达国家中的超级大国，更是对这方面给予了相当大的科技支持和经费投入。不仅如此，美国政府还颁发了一系列的鼓励政策以及保护措施，推动了锂电池研究的飞速发展。

在锂电池的研究方面，日本的索尼（SONY）公司是相对于其他国家和地区而言对锂电池研究和开发较早的公司。资源危机是无法忽视的巨大危机，因此日本格外重视新能源的发展。作为最先研究电动汽车的国家，日本的电动汽车一直处于领先水平。在2010年，日本政府决定加大对电动汽车研究的投入，直接组织相关专业成员实施国家的专项计划，研究开发先进的锂电池技术，并且把锂电池技术应用于新一代的电动汽车中。就目前而言，日本生产的锂电池已经达到了国际领先水平。

我国对锂电池的研究和生产随着社会发展也迅速增长，而且我国是目前最大的锂电池生产制造地。我国对锂电池的研究和制造还处于增长当中，在全球锂电池排行中，所占地位依旧在持续扩大。在这个力呼环保的世界，新能源问题和环境保护问题是研究的重要课题，而锂电池在使用当中是比较环保的，因此锂电池已经逐渐取代了对环境污染影响比较大的电池，成为社会发展中不可缺少的储能元件。电池行业“十三五”发展规划中已经明确指出，在未来会增加锂电池的使用，在推广方面也会加大力度，在应用的领域方面也会更加全面，增加市场占有率。现阶段，生产锂电池的生产商也逐渐增多，如万向集团和中航锂电等，都为锂电池的研究和生产提供了广阔的平台和空间。