鋰離子電池的研究概況

袁煥麗

（周口師范學院 物理與機電工程學院，河南 周口 466000）

0 引言

高能量密度的鋰離子電池，安全性能好，低污染；隨著技術的發展，鋰離子電池在電動汽車和自行車領域、航天、軍事等領域之中的應用越來越廣泛。鋰離子電池都具有非常好的發展前景。對鋰離子電池的研究，了解鋰離子電池的研究概況，通過技術創新，進一步降低原材料成本，提高電池循環性能及穩定性，為以后鋰離子電池的發展打下基礎至關重要。

1 鋰離子電池的研究概況

1.1 正極材料的發展趨勢

鋰離子電池由于其采用的正極材料的不同，會使其能量密度，溫度特點以及比功率特點，以及安全性能有很大的不同，已經市場化鋰離子電池正極材料一般采用LiCoO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2和LiFePO4這四種。鈷酸鋰是市場最早的鋰離子電池正極材料，具有其它材料所沒有的許多優點，其比能量高，充放電電壓相對穩定、循環使用性能也相對于其他大多數材料較好，所以用其作為正極材料的鋰離子電池在第一代產品中就已經相對廣范。但用其生產的鋰離子電池的不能承受較長時間的充電過程，所以其使用安全性能是其缺點，另外，由于其造價昂貴在需要大容量鋰電池的車用鋰電池上很難推廣使用。LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2，它是可逆比容量最高可以達到160mAh/g的三元類材料，能夠和電解液很好相容，循環性能也較第一種材料有很大發展的正極材料，其在手機電池中已經有了很長足的發展。研究表明可改變Ni、Co、Mn三種元素的比例產生多種不同的性能正極材料，滿足不同類型產品的需求。LixMn2O4是一個低成本的材料，其熱穩定性和抗電超過LiCOO2LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2，3D隧道結構由于其優越的嵌入和脫嵌Li+的性能，使它在制造高功率動力電池方面被廣泛的應用。但是，其相對較低的比容量，以及相對較差的循環性能，對它的發展形成很大的限制。第四種：LiFePO4。對于近幾年來應用相對廣泛的這種材料來說，其作為一種磷酸鹽聚陰離子化合物，無論是在安全性能，還是在耐高溫性能，循環性能方面，它都具有很出色的表現，在動力電池還是在大功率的車載電池方面有很好的應用潛力。它存在主要缺點是電壓平臺和電導率低、低溫的放電性和倍率放電差。綜合考慮LiFePO4一定是有較好發展前景的正極材料。

1.2 負極材料的發展趨勢

在當前，許多學者主要是將碳材料、合金材料鈦酸鋰及過渡金屬氧化物等作為對立離子電池負極材料的主要研究方向。在這許多的研究當中，碳材料是最早被研究并作為鋰離子電池負極材料成功運用到鋰離子電池生產的材料。負極材料根據其結構特點的不同，一般可以分為三種：石墨、軟碳、硬碳。其中易于石墨化的叫做軟碳，難以石墨化的叫做硬碳。由于相似的結晶性能，在作為鋰離子電池的負極材料時，軟碳和石墨都會比硬碳更容易充電，安全性能也就更好。石墨類材料的技術相對成熟常用來作為鋰電池負極材料，主要有天然石墨及其改性材料、中間相炭微球和石油焦類人造石墨等，其中中間相炭微球由于其球形的層結構使它的比容電量，安全性，放電效能和循環壽命等很多方面有很大的優勢，但它的成本較高。硬碳材料首效低，壓實密度低，工藝不成熟等缺點，使其至今還沒有能夠實現大規模的商品化，然而國內在這一領域的研究還處在試驗階段之中。錫基復合氧化物、碳硅復合材料和鈦酸鋰等也是當前許多學者所比較熱衷的研究負極材料。鈦酸鋰的循環壽命十分長的優點，使其在作為鋰動力電池負極材料的時候，具有非常大的優勢，同時由于鈦酸鋰的體積變化也非常小，它也通常被稱為零應變材料。在作為負極材料時，在鈦酸鋰和電解液間的分界面上不會出現SEI膜，并且它的內阻也不變大，所以它的安全性能非常高，另外，它的電壓平臺在1.5V左右的電壓平臺，也不會導致金屬鋰的析出。具有非常穩定的電壓的平臺，使其在作為鋰離子電池的負極材料時，具有很好的耐過充性能和耐過放性能。然而，鈦酸鋰電極電位較高、壓實密度和重量比能量較低帶來的導電性和大倍率性能差，使鈦酸鋰在廣泛的市場化前很難被廣泛的應用。

1.3 電解質的研究概況

目前，電解液的溶劑包括碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯五類。目前，大多都是使用六氟磷酸鋰電池電解質鹽，混合溶劑，碳酸乙烯酯和脂肪族碳酸酯作為電解質。然而，對于和其他的電介質材料相比較而言，LiPF6的熱穩定性和化學穩定性非常差，但是其負面影響不可以因為如何提高存儲能力，進一步降低對于電池的安全性能，循環性能的忽視。因此,在研究其電解質的同時，對于新型電解質鋰鹽、功能添加劑的作用也需要做一個更加深入的了解，二草酸硼鋰的使用已經受到了越來越多的關注。用這種鹽反充電和SEI膜的電解液的阻燃效果是非常穩定。LiMn2O4在LiBOB中的分解熱一般能夠到達60J/g，但是LiFePO4的卻更低，只有6～8J/g，它們的這些優點，可以極大的提升動力電池的安全性。所以，把LiBOB與LiPF6混合使用，就可以更好的發揮動力電池的高溫循環性能，同時對于動力電池的的安全性能也會有極大地提高。

2 鋰離子電池的測試方法

鋰離子電池的檢測需要通過恒流充電、恒壓充電、充放電間隔、放電和周期間隔五個歩奏的檢測。鋰離子電池大量的檢測時所選用的分選系統一般包括以下幾種方法：使用三級計算機測控模式、模塊化結構，這種電池分選系統具備恒流恒壓充電、分段放電、自動報警等功能，可以同時檢測分選數節電池?；癁橄到y的特性分選功能和其他相比具有很特別的功能，對于挑選出來的鋰離子電池，可以直接用來制作組和電池，不需要再經過其他的檢測過程，成品率基本接近100%，這樣檢測過后對于保證產品質量，和節省人力物力會有很大的幫助。

3 鋰離子電池的應用前景

鋰離子電池的研發制造技術不斷完善，使滿足各種需求的鋰離子電池迅速出現，使與之相關的的一大批產業也有了長足的突破，它使電話、手機、電腦、照相機、電動汽車和其他小型便攜式的電動器械都有了很大的發展。鋰離子電池技術的快速發展也得益于電動車的發展迅速其技術的逐漸成熟。特別是在便攜式用電器具方面所帶來的快速增長，為鋰離子電池的應用奠定了廣闊的前景。另外最近幾年研發出來的“超級”鋰離子電池，即快速充電電池，對一般的手機電池的充電只需要20秒的時間。這種“超級”鋰離子電池會使其應用更加方便快捷。

在電動汽車方面，現在使用最多的電源仍然是鉛酸蓄電池，鉛酸蓄電池能量密度低，充電速度慢和壽命短，隨著環保方面的要求増高，逐漸地會被其他的蓄電池所代替。鋰離子電池由于其體積小、重量輕、能量大，被人們當做將來最有潛力發展作為電動汽車的能源。大型的鋰離子蓄電池開始應用于純電動汽車和混合動力車。同時在水力、火力、風力及太陽能電站、軍事裝備，航空航天等領域也發揮了越來越大作用，郵電通訊的持續供電電源。但是，鋰離子電池無論在技術還是材料方面還不成熟，還有很大的發展空間。鋰離子電池技術的研究及發展，為以后我國的新能源產業的發展注入新的活力。