探讨锂电池技术研究进展及其应用

锂电池的研究开始于20世纪80年代，首个商业化的锂电池出现于1991年，故将1991年作为锂电池真正意义上的诞生年份。虽然迄今为止，已经应用广泛，远超其他类型电池，但是，其并不是完美的电池，甚至相差很远，存在诸多问题。

本文来源：控制与电气微信号ID:LMMN418作者：马玉武

锂离子电池的四个主要成分是阴极、阳极、电解液、隔膜。一般锂离子电池可以提供大约3.7V的平均电压，并在相对简单的原理下工作，即阴极、阳极之间可逆脱嵌锂离子。

1.阴极材料

起步：尖晶石LiMn2O4(LMO)LiCoO2(LCO)但是LiCoO2(LCO)随着价格以及可用资源问题的出现，现在正在逐渐减少，到2010年占有率仅为40%。

在发展到LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2(NMC)一种镍、锰、钴的三元体系材料。

在发展到具有橄榄石结构的磷酸盐类材料【LiFePO4(LFD)为最常见】很有前景的新型阴极材料，虽然目前应用有限。

最新技术趋势：阴极材料是含锂的过度金属氧化物，属于一种功能陶瓷材料，应用于锂电池的阴极的电极材料，锂离子必须能够在其晶体结构中自由扩散。晶体结构的形貌：一维、二维、三维，决定锂离子能够迁移的维度。

1）层状岩盐结构材料（二维）LCO自身结构简单，但是与其他元素结合物可以提供高效的放电容量。

2）尖晶石结构材料（三维）LMO放电性差不能提供高效电容量但价格低结构稳。

3）橄榄石结构材料（一维）LFO

4）层状LCO系列（二维）合成福锂化的LCO纳米颗粒方法，这种材料中含有的锂量是普通LCO粒子的9-21倍，锂含量上升8-12倍，一次粒子直径25nm的球形颗粒；锂含量上升21倍为直径5nm长度60nm的棒状颗粒，采用这种棒状颗粒制备的阴极在高倍率的条件下容量保持能力可以得到最大化的改善，特别适用于混合动力汽车中。

2.阳极材料：石墨和硬碳，包括中间石墨和人造石墨虽然价格高但是应用广泛。

但是到了2010年基本上都是各种形式的石墨

石墨阳极放电曲线

硬碳阳极的放电曲线

其他新型材料：放电容量高但是从放电过程中出现较大的体积膨胀与收缩率则是最为严重的弊病。现在这个问题已经可以通过制备纳米颗粒或者碳材料制备复合材料来缓减。

3.电解液：有机溶剂和电解质盐类化合物的混合物

常见的有机溶剂是环状碳酸酯如碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯与链状碳酸酯如碳酸二甲酯和碳酸二乙酯的混合物。然后在上述有机溶剂中加入盐类化合物如LiPF6或者LiBF4使得到最终的电解液，必须同时具备高介电常数和低黏度。

4.隔膜技术：由一类聚烯烃材料制备而成的微孔薄膜。隔膜放置在阳极和阴极之间，在允许锂离子通过的前提下，同时防止正负极接触。基于制备方法的不同有：干法单组分体系、湿法双分体系、湿法三分组体系。

单组分：制备过程中只是涉及薄膜本身的聚合物材料

干法：制备过程中没有溶剂参与

自闭孔功能：隔膜的一个安全特征，当电池短路或者其他原因而产生不正常的热而导致聚合物融化时，可以关闭微孔，从而阻止电极之间的离子迁移。

2.1概述

20世纪80年代开始设计各种各样户外使用的视听配件，井大规模的投放市场。此外，所谓的信息技术设备，包括移动电话、笔记本电脑、数码相机等，也开始越来越受到人们的青睐。

尽管在20世纪70年代之前，一次电池一直统领着整个电池市场，但是如铅酸电池、镍镉电池(Ni-Cd)等二次电池最终还是取代了它们。

镍镉电池是一种典型的小型二次电池，但它在用作手持设备的电源时有其自身的弱点，如能量密度较低以及环境污染问题等。在20世纪80年代末之前，虽然镍镉电池性能也得到了一系列的改进，但是能量密度却达到了一个极限。

与传统的二次电池如镍镉、镍金属氢化物以及铅酸蓄电池相比，锂离子电池具有显著的性能优势。如:

①高电压(平均3.7V);

②高质量能量密度和体积能量密度;

③没有记忆效应;

④低自放电率(每年低于20%);

⑤工作温度范围宽。

2.2凝胶聚合物电解质锂离子电池

电解液泄湿漏是一次和二次电池中最令人困扰的问题，对付这种泄漏最行之有效的方法是将电解液固定起来。纯聚合物电解液由聚合物基质以及锂盐组成，它的离子电导率很低。所以很多研究者开始研发凝胶聚合物电解液(GPEs)来提高其离子电导率。CPEs由凝胶聚合物本体以及溶剂或增塑剂构成，它们的离子电导率很高，可以代替纯聚合物电解液作为锂离子电池的固态电解液。索尼公司研究开发了采用GPES的锂离子电池，即聚合物电池(LPBs).并于1998年将其投放到市场。

但是人们广泛认为聚合物电池的倍率放电性能和低温性能同普通锂离子电池相比均较差，这主要是由于GPES的离子电导率较差，所以将该聚合物电池用于手持电子设备的话，其性能尚有所欠缺。

基于此观点，我们对于聚合物电池的研究开发工作将主要锁定在如下几个方面:

①凝胶电解液的溶剂具有低蒸气压:

②胶体电解液与活性电极材料具有良好的黏合性:

③所有的溶剂都应该包裹在有机物基质中，不应该有多余的有机溶剂，从而可以防止电解液泄漏;

④GPEs在一个较宽的温度范围内具有高离子电导率，尤其是在低温条件下;

⑤在电极表面包裹一层塑料层，隔断溶剂蒸气和水分之间的互相渗透;

⑥具有与传统锂离子电池相抗衡的性能。

GPEs需要同时具有两个矛盾的特征。它们需要容纳尽可能多的溶剂从而增加离子电导率，而另外一个方面，也需要很高的机械强度，太多的溶剂存在容易导致胶体破碎。

2.3结论

锂离子电池的一些新应用已经被提出来，比如为电动汽车、混合动力汽车、插电式混合动力汽车以及固定动力能源等提供动力能源。

为了使锂离子电池满足这些应用上的要求，一些新的技术也陆续报道出来。

但是其中一些报道，好像忽视了新技术的实用性，包括其使用条件以及大批量生产的可行性。