《锂离子电池测评技术解析与应用》涵盖锂离子电池的基本构成、制造工艺、电池及材料检测技术、失效机制、健康状态估算及预测等内容。对电池层级和材料层级的检测技术进行了详细分类，阐述了多种物理、化学及电化学性能测试技术，分析了电池失效的基本类型、机制及抑制策略。此外，《锂离子电池测评技术解析与应用》还系统地介绍了锂离子电池健康状态估算和预测方法及电池测评的相关国家标准。

目录
前言
第1章 锂离子电池及其市场概述 1
1.1 锂离子电池概述 1
1.1.1 锂离子电池的发展历史 1
1.1.2 锂离子电池基本原理 2
1.1.3 锂离子电池的主要应用领域 3
1.2 锂离子电池市场分析 5
1.2.1 市场驱动力 5
1.2.2 市场分布 6
1.2.3 主要市场参与者 7
参考文献 8
第2章 锂离子电池基本构成与制造工艺 9
2.1 锂离子电池基本构成 9
2.1.1 正极 10
2.1.2 负极 34
2.1.3 集流体 46
2.1.4 隔膜 54
2.1.5 电解质 64
2.1.6 安全阀 82
2.1.7 正温度系数端子 84
2.1.8 电池壳 85
2.2 电池性能的主要影响因素 86
2.2.1 材料因素 86
2.2.2 电池结构和工艺因素 92
2.2.3 工况条件及储存因素 95
2.3 锂离子电池制造工艺 97
2.3.1 极片制造 98
2.3.2 电池装配 105
2.3.3 电池化成与分容 107
2.4 使用和维护 109
参考文献 110
第3章 电池层级测试技术 139
3.1 电性能测试 139
3.1.1 充电性能 139
3.1.2 放电性能 140
3.1.3 容量性能 141
3.1.4 能量和比能量 143
3.1.5 功率特性和倍率性能 143
3.1.6 高温和低温性能 145
3.1.7 循环性能 146
3.1.8 储存性能与自放电 147
3.1.9 电池内阻 148
3.1.10 电池电压 149
3.2 安全性能测试 150
3.2.1 电气安全性能 150
3.2.2 机械安全性能 152
3.2.3 环境安全性能 155
3.2.4 热安全性能 159
参考文献 162
第4章 材料层级表征技术 164
4.1 X射线分析技术 164
4.1.1 X射线衍射 164
4.1.2 X射线光电子能谱 169
4.1.3 X射线吸收谱 172
4.1.4 X射线计算机断层成像 175
4.2 光学分析技术 177
4.2.1 拉曼光谱 177
4.2.2 傅里叶变换红外光谱 180
4.3 核磁共振分析技术 181
4.4 差分电化学质谱 183
4.5 电子显微分析技术 186
4.5.1 扫描电子显微镜 186
4.5.2 透射电子显微镜 188
4.5.3 原子力显微镜 191
4.6 差示扫描量热技术 193
4.7 其他表征技术 195
4.7.1 粉末振实密度测量 195
4.7.2 粉末电阻测量 195
4.7.3 比表面积和微孔测量 196
参考文献 197
第5章 电化学性能测试技术 204
5.1 循环伏安法 204
5.2 电化学阻抗谱法 209
5.3 直流内阻测试法 212
5.4 混合脉冲功率特性法 214
5.5 恒电流间歇滴定技术 215
5.6 恒电位间歇滴定技术 218
参考文献 220
第6章 电池失效分析 222
6.1 电池失效概述 222
6.2 电池失效类型 223
6.2.1 容量衰减失效 223
6.2.2 内阻增大失效 224
6.2.3 内部短路失效 225
6.2.4 热失控失效 225
6.2.5 过充电失效 229
6.2.6 过放电失效 230
6.2.7 机械损伤失效 231
6.2.8 低温/高温失效 231
6.3 电池失效机制分析 233
6.3.1 正极材料失效 234
6.3.2 负极材料失效 238
6.3.3 电解液分解 241
6.3.4 隔膜失效 242
6.3.5 集流体腐蚀 243
6.3.6 黏结剂失效 247
6.4 失效抑制策略 248
6.4.1 材料优化设计 248
6.4.2 电池生产工艺优化 251
6.4.3 电池结构优化 252
6.4.4 电池管理系统智能化 253
参考文献 253
第7章 锂离子电池健康状态估算和预测 262
7.1 锂离子电池健康状态介绍 262
7.1.1 健康状态的定义 262
7.1.2 SOH估算和预测方法分类 263
7.2 基于模型的方法 264
7.2.1 等效电路模型法 265
7.2.2 电化学模型法 266
7.2.3 数学模型法 268
7.3 基于数据驱动的方法 269
7.3.1 滤波方法 270
7.3.2 机器学习方法 272
7.4 基于融合技术的方法 279
7.4.1 模型与数据驱动融合法 279
7.4.2 多种数据驱动融合法 280
7.5 SOH估算和预测方法的对比分析 281
7.6 SOH估算和预测方法的挑战 283
参考文献 284
第8章 国内锂离子电池标准 291
8.1 标准介绍 292
8.1.1 《电力储能用锂离子电池》（GB/T 36276—2023） 292
8.1.2 《电力储能用锂离子电池退役技术要求》（GB/T 43540—2023） 304
8.1.3 《电动汽车用动力蓄电池安全要求》（GB 38031—2025） 308
8.1.4 《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》
（GB/T 31484—2015） 317
8.1.5 《电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法》
（GB/T 31486—2024） 319
8.1.6 《电动自行车用锂离子蓄电池》（GB/T 36972—2018） 323
8.1.7 《电动摩托车和电动轻便摩托车用锂离子电池》（GB/T 36672—2018） 328
8.1.8 《电动平衡车、滑板车用锂离子电池和电池组 安全技术规范》
（GB 40559—2024） 330
8.1.9 《便携式电子产品用锂离子电池和电池组 安全技术规范》
（GB 31241—2022） 335
8.1.10 《移动电话用锂离子蓄电池及蓄电池组总规范》（GB/T 18287—2013） 342
8.1.11 《固定式电子设备用锂离子电池和电池组 安全技术规范》
（GB 40165—2021） 346
8.1.12 《空间用锂离子蓄电池通用规范》（GB/T 42635—2023） 350
8.1.13 《宇航用锂离子蓄电池组设计与验证要求》（GB/T 38314—2019） 352
8.1.14 《船舶蓄电池装置》（GB/T 13603—2023） 353
8.2 标准之间的关系 355
8.2.1 技术要求的共性与差异 355
8.2.2 安全性评估的统一性与差异 355
8.2.3 测试方法的标准化与差异化 356
8.3 锂离子电池检测标准的实施与影响 356
8.3.1 标准的实施情况 356
8.3.2 标准对电池性能提升的影响 358
参考文献 359

第1章 锂离子电池及其市场概述
　　1.1 锂离子电池概述
　　1.1.1 锂离子电池的发展历史
　　锂离子电池的发展历史可以追溯到20世纪70年代末。美国科学家M. Stanley Whittingham*次开发了一种以硫化钛为正极、金属锂为负极的可充电锂离子电池。然而，由于金属锂的化学活性过高，容易引发安全问题，该早期技术未能实现商业化。
　　1980 年，John B. Goodenough在得克萨斯大学奥斯汀分校发现了钴酸锂（LiCoO2），其具有更高的能量密度和结构稳定性，为后续锂离子电池的研究和发展奠定了基础[1]。该突破性发现使得锂离子电池的工作机制发生根本性变化—电池可以仅依赖正极材料作为锂源，而不再需要负极材料本身含锂。该变革性的进展使得金属锂负极变得不再必要，从而有效避免了金属锂在充放电过程中易形成枝晶而导致短路和热失控的安全隐患，大幅提升了电池的安全性，为锂离子电池的商业化铺平道路。
　　锂离子电池的真正商业化始于1991年，索尼公司成功推出了*款商用锂离子电池，其采用碳材料作为负极和LiCoO2作为正极。相比传统的镍镉电池和镍氢电池，锂离子电池具有更高的能量密度、更长的循环寿命和无记忆效应，因此迅速在便携式电子设备中得到广泛应用。将负极材料从金属锂替换为硬碳或石墨，不仅彻底改变了可充电锂离子电池的技术路线，还显著提升了电池的安全性。同时，含锂过渡金属正极材料提供锂离子，为负极材料从金属锂过渡到不含锂但更安全的硬碳或石墨提供了必要条件。此外，电解液成分的优化也起到关键作用，以能够在石墨表面形成稳定固态电解质界面（SEI）膜的碳酸乙烯酯（EC）替代易在石墨中发生溶剂共嵌入反应的碳酸丙烯酯（PC），*终实现石墨作为负极材料的可行性，进一步推动锂离子电池的技术成熟和产业化进程。
　　随着锂离子电池技术的发展，研究人员不断探索新的正极和负极材料，如磷酸铁锂（LiFePO4）、锰酸锂（LiMn2O4）、镍钴锰酸锂（NCM）、镍钴铝酸锂（NCA）等，以进一步提升电池的能量密度、循环寿命和安全性。同时，高电压电解液和固态电解质等新型电解质材料也逐渐被开发出来，旨在解决电解液存在的安全隐患问题。
　　近年来，随着电动汽车和新型储能市场的快速发展，锂离子电池技术迎来了新的发展高潮，在满足市场对于更长续航与更短充电时间的迫切需求驱动下，如何实现更高的能量密度、更快的充电速度以及更稳定的充放电循环性能，成为当下锂离子电池领域的核心研究焦点。硅基负极材料、富锂锰基层状氧化物正极材料、固态电池技术等前沿领域的研究成果不断涌现，进一步推动锂离子电池性能的提升。此外，随着人工智能和大数据技术的应用，电池管理系统（BMS）的智能化水平不断提高，将进一步提升锂离子电池的安全性和使用寿命。
　　目前，锂离子电池已经成为便携式电子设备、电动汽车、储能系统、电动工具等领域的主流电源。为了满足市场需求，已经开发出一系列结构和形状的产品，包括卷绕圆柱形、卷绕方形、叠片方形及软包袋式电池，并且单体电池容量目前已经超过600Ah。随着材料科学、电化学技术和制造工艺的不断进步，未来锂离子电池的性能将会进一步提升，应用领域也将更加广泛。在推动可再生能源发展和实现碳中和目标的过程中，锂离子电池也将发挥更加重要的作用。
　　1.1.2 锂离子电池基本原理
　　电池由正极、负极、电解质和隔膜等基本部分组成。锂离子电池的充放电过程伴随锂离子在正负极之间的迁移，因此锂离子电池也被称为“摇椅电池”。其充放电原理如图1-1所示。
　　图1-1 锂离子电池充放电原理示意图
　　在充电过程中，外部电源施加电压，使得锂离子从正极材料中脱出，通过电解液和隔膜迁移到负极，并嵌入负极材料的层状结构中。同时，电子通过外部电路从正极流向负极，完成电荷平衡。在这个过程中，电池将电能转化为锂离子与电子间的电化学势能进行储存。放电过程则与充电过程相反。当电池连接到负载时，锂离子从负极脱出，通过电解液和隔膜返回正极，同时电子通过外部电路从负极流向正极。在这个过程中，化学能转化为电能，提供给负载使用[2-4]。
　　锂离子电池的电化学反应式可以简化为以下形式：
　　在正极反应中，充电时锂离子从LiCoO2的八面体位置发生脱嵌，同时释放电子，Co3+被氧化为Co4+；放电时，锂离子嵌入八面体位置得到电子，Co4+被还原为Co3+。而在负极反应中，锂离子嵌入石墨的片层中时，石墨得到电子。此时该电子位于石墨的片层分子平面上，带负电，带负电的石墨片层同带正电的锂离子之间形成静电作用力。
　　锂离子电池的能量储存和充放电效率主要依赖于电极材料脱嵌锂的能力、电解液的离子传导性以及隔膜的离子渗透性。高质量的电极材料可以提供较高的比容量和循环寿命，而电解液和隔膜的性能则直接影响电池的内阻、充放电速率和安全性能。
　　电池的开路电压由正负极材料的化学势差决定。通过选择不同的正负极材料，可以调整电池的工作电压和能量密度。
　　锂离子电池具有较高的能量密度，主要体现在质量能量密度和体积能量密度上。质量能量密度是指单位质量的电池所能储存的能量，而体积能量密度是指单位体积的电池所能储存的能量。与传统的镍镉电池和镍氢电池相比，锂离子电池具有更高的能量密度、更长的循环寿命和更低的自放电率。
　　此外，锂离子电池还具有无记忆效应的优点，可以随时充电，无须完全放电后再充电，多次部分充放电后也不会显著降低电池容量，这使其在便携式电子设备、电动汽车、电化学储能等领域应用中具有明显优势。
　　1.1.3 锂离子电池的主要应用领域
　　锂离子电池凭借其高能量密度、长循环寿命和优良的电化学性能，已经成为现代生活和工业中不可或缺的电源技术。其广泛应用于多个领域，不同应用场景对电池的容量、功率密度、安全性、循环寿命和环境适应性有不同要求。根据其主要功能和需求特性，可将锂离子电池的应用领域划分为消费电子、电动交通工具、储能系统、工业与专业设备、医疗电子设备及新兴应用等。
　　在消费电子领域，锂离子电池因其高能量密度、小型化、轻量化和长续航的特点占据主导地位。该类设备包括智能手机、笔记本电脑、平板电脑、可穿戴设备（如智能手表、无线耳机）、数码相机、电子书和掌上游戏机等。该类设备对电池提出轻量化、高能量密度、快充能力和长续航的要求。例如，现代智能手机通常搭载5000～7000mAh的锂离子电池，可满足一天甚至更长时间的使用，而高端笔记本电脑电池容量可达40～100Wh，支持数小时至十余小时的连续使用。
　　电动交通工具是锂离子电池*重要的应用领域之一，其核心需求是高能量密度、高功率输出和长寿命。乘用电动车（EV）如特斯拉、比亚迪、宝马i系列，通常采用50～150kWh的电池组，提供500～800km的续航里程。商用电动卡车和公交车由于长时间运行需求，对电池的大容量（＞200kWh）、高安全性和长寿命要求更高。电动摩托车、电动滑板车和电动自行车则需要轻量化设计，并强调快充能力，电池容量通常在1～5kWh之间。此外，电动船舶、未来的电动飞机等特殊交通工具，需要兼顾储能与动力需求，要求电池具备高安全性、耐久性和优秀的热管理能力，以满足长时间高功率输出需求。
　　储能系统的核心目标是电力储存、平衡供需和提高能源利用率，其应用涵盖可再生能源储能、家庭储能、商业储能和电网级储能。可再生能源储能主要用于太阳能和风能发电的电力储存，提高能源的可利用性。家庭储能系统（如特斯拉Powerwall）容量通常为5～20kWh，可用于削峰填谷和家庭备用电源。商业储能系统（如特斯拉Powerpack、Megapack）适用于工业用户，帮助优化能源调度，而电网级储能系统（MWh级）则在电网稳定运行中发挥关键作用，提升可再生能源的并网能力。储能电池通常需要具备长循环寿命（＞5000次）、高安全性、低自放电率，不同于动力电池对高倍率放电的需求。
　　工业与专业设备对电池的需求各有侧重，不同应用场景下要求高功率输出、耐用性或长续航。电动工具（如电钻、电锯、电动扳手）需要高倍率放电和高功率输出，以提升工作效率。无人机的应用场景更为复杂，其中消费级无人机（如用于航拍、娱乐）侧重于便携性和快充能力，而工业级无人机（如用于农用喷洒、物流运输）更注重长续航和耐高低温性能，以适应户外作业需求。军用无人机（如用于侦察、作战）则需要更高的能量密度、快速充电和可靠性。仓储物流机器人、工业自动化设备、叉车和矿山设备也逐步采用锂离子电池取代传统铅酸电池，提高运行效率，降低维护成本。此外，不间断电源（UPS）广泛用于数据中心、医院和通信基站，对电池的高可靠性和快速放电能力提出更高的要求。
　　在医疗电子设备领域，锂离子电池被广泛应用于植入式医疗器械、便携式诊断设备和紧急救援设备，其核心需求是高安全性、长寿命和低自放电率。例如，心脏起搏器、胰岛素泵等植入式医疗设备需要具备超过10年的稳定运行能力，确保长期可靠性。便携式超声设备、移动诊断仪器等设备则需要轻量化设计，同时保证长续航和快速充电能力。自动体外除颤器（AED）等急救设备要求高功率输出，以确保在紧急情况下能迅速启动并提供充足能量。医疗设备对电池的稳定性要求极高，需要具备低自放电率、高温稳定性和抗电磁干扰能力。
　　随着技术的发展，锂离子电池在多个新兴领域展现出巨大潜力。通信基站备用电源逐步采用锂离子电池取代传统铅酸电池，以提高供电稳定性，并优化峰值负载管理。物联网设备，如智能家居、远程传感器、智能门锁等，需要电池具备长寿命、低自放电率和稳定供电能力。新能源飞机正在探索采用锂离子电池作为核心动力源，以推动电动航空技术的发展，实现零排放、低噪声飞行。海洋探索设备，如水下机器人和无人潜航器，需要电池具备高能量密度、长寿命和耐压耐腐蚀能力，以支持深海长期作业。此外，在极端环境下，锂离子电池的特殊应用场景也日益增多。例如，航空航天领域的应用要求电池能够耐受低温，且具备高能量密度与高功率密度；石油钻探设备所配备的电池则需具备高温耐受性与高可靠性，从而确保在极端环境下稳定运行。随着技术进步和应用扩展，锂离子电池将在更多领域发挥关键作用，推动各行业向高效、绿色和智能化发展。
　　1.2 锂离子电池市场分析
　　锂离子电池市场在过去十年中经历了显著的增长，并且预计未来几年该趋势将继续。根据全球性市场调研和咨询公司Data Bridge Market Research的市场研究，2022年全球锂离子电池市场规模为543.2亿美元，预计到2030年将增长至1830亿美元，年复合增长率约为18%。国际电池市场研究机构SNE Research发布了2024年全球储能市场、动力电池出货量数据。据统计，2024年全球储能电池出货量达303GWh，动力电池出货量达1157GWh。此外，中国的锂离子电池产业在2024年也表现出了强劲的增长态势。根据高工产研（GGII）锂电研究所统计数据，2024年中国锂电池出货量达1175GWh，同比增长32.6%。
　　1.2.1 市场驱动力
　　推动全球锂离子电池市场增长的主要因素包括以下几个。
　　（1）电动汽车市场的迅速扩展：电动汽车的普及是锂离子电池市场增长的主要驱动力之一。随着全球对减少碳排放的关注和对清洁能源交通工具需求的增加，各国政府纷纷出台鼓励政策，推动电动汽车市场快速发展。我国作为全球新能源汽车的领军者，得益于政府的强力支持政策，锂离子电池需求实现大幅增长。
　　（2）可再生能源储能需求增加：随着太阳能和风能等可再生能源的广泛应用，对高效储能解决方案的需求也显著增加。锂离子电池因其高能量密度、快速充放电能力、长循环寿命，成为家庭储能、商业储能、电网级储能系统的主要技术选择。全球多个国家正通过政策扶持和技术创新，推动分布式储能、电力调峰、微电网和离网系统的发展，以提高能源利用率和电力供应稳定性。例如，特斯拉的Powerwall、