鋰離子電池的研究概況

袁煥麗

（周口師范學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)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(shù)的發(fā)展，鋰離子電池在電動汽車和自行車領(lǐng)域、航天、軍事等領(lǐng)域之中的應(yīng)用越來越廣泛。鋰離子電池都具有非常好的發(fā)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(shù)創(chuàng)新，進(jìn)一步降低原材料成本，提高電池循環(huán)性能及穩(wěn)定性，為以后鋰離子電池的發(fā)展打下基礎(chǔ)至關(guān)重要。

1 鋰離子電池的研究概況

1.1 正極材料的發(fā)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(diǎn)以及比功率特點(diǎn)，以及安全性能有很大的不同，已經(jīng)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(yōu)點(diǎn)，其比能量高，充放電電壓相對穩(wěn)定、循環(huán)使用性能也相對于其他大多數(shù)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(chǎn)品中就已經(jīng)相對廣范。但用其生產(chǎn)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(diǎn)，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(dá)到160mAh/g的三元類材料，能夠和電解液很好相容，循環(huán)性能也較第一種材料有很大發(fā)展的正極材料，其在手機(jī)電池中已經(jīng)有了很長足的發(fā)展。研究表明可改變Ni、Co、Mn三種元素的比例產(chǎn)生多種不同的性能正極材料，滿足不同類型產(chǎn)品的需求。LixMn2O4是一個低成本的材料，其熱穩(wěn)定性和抗電超過LiCOO2LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2，3D隧道結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)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(yīng)用。但是，其相對較低的比容量，以及相對較差的循環(huán)性能，對它的發(fā)展形成很大的限制。第四種：LiFePO4。對于近幾年來應(yīng)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(huán)性能方面，它都具有很出色的表現(xiàn)，在動力電池還是在大功率的車載電池方面有很好的應(yīng)用潛力。它存在主要缺點(diǎn)是電壓平臺和電導(dǎo)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(fā)展前景的正極材料。

1.2 負(fù)極材料的發(fā)展趨勢

在當(dāng)前，許多學(xué)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(fù)極材料的主要研究方向。在這許多的研究當(dāng)中，碳材料是最早被研究并作為鋰離子電池負(fù)極材料成功運(yùn)用到鋰離子電池生產(chǎn)的材料。負(fù)極材料根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jié)晶性能，在作為鋰離子電池的負(fù)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(shù)相對成熟常用來作為鋰電池負(fù)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(jié)構(gòu)使它的比容電量，安全性，放電效能和循環(huán)壽命等很多方面有很大的優(yōu)勢，但它的成本較高。硬碳材料首效低，壓實(shí)密度低，工藝不成熟等缺點(diǎn)，使其至今還沒有能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的商品化，然而國內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究還處在試驗(yàn)階段之中。錫基復(fù)合氧化物、碳硅復(fù)合材料和鈦酸鋰等也是當(dāng)前許多學(xué)者所比較熱衷的研究負(fù)極材料。鈦酸鋰的循環(huán)壽命十分長的優(yōu)點(diǎn)，使其在作為鋰動力電池負(fù)極材料的時候，具有非常大的優(yōu)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(yīng)變材料。在作為負(fù)極材料時，在鈦酸鋰和電解液間的分界面上不會出現(xiàn)SEI膜，并且它的內(nèi)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(dǎo)致金屬鋰的析出。具有非常穩(wěn)定的電壓的平臺，使其在作為鋰離子電池的負(fù)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(shí)密度和重量比能量較低帶來的導(dǎo)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(yīng)用。

1.3 電解質(zhì)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(zhì)鹽，混合溶劑，碳酸乙烯酯和脂肪族碳酸酯作為電解質(zhì)。然而，對于和其他的電介質(zhì)材料相比較而言，LiPF6的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性非常差，但是其負(fù)面影響不可以因?yàn)槿绾翁岣叽鎯δ芰?，進(jìn)一步降低對于電池的安全性能，循環(huán)性能的忽視。因此,在研究其電解質(zhì)的同時，對于新型電解質(zhì)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(jīng)受到了越來越多的關(guān)注。用這種鹽反充電和SEI膜的電解液的阻燃效果是非常穩(wěn)定。LiMn2O4在LiBOB中的分解熱一般能夠到達(dá)60J/g，但是LiFePO4的卻更低，只有6～8J/g，它們的這些優(yōu)點(diǎn)，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(fā)揮動力電池的高溫循環(huán)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(tǒng)一般包括以下幾種方法：使用三級計算機(jī)測控模式、模塊化結(jié)構(gòu)，這種電池分選系統(tǒng)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(shù)節(jié)電池?；癁橄到y(tǒng)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(jīng)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(chǎn)品質(zhì)量，和節(jié)省人力物力會有很大的幫助。

3 鋰離子電池的應(yīng)用前景

鋰離子電池的研發(fā)制造技術(shù)不斷完善，使?jié)M足各種需求的鋰離子電池迅速出現(xiàn)，使與之相關(guān)的的一大批產(chǎn)業(yè)也有了長足的突破，它使電話、手機(jī)、電腦、照相機(jī)、電動汽車和其他小型便攜式的電動器械都有了很大的發(fā)展。鋰離子電池技術(shù)的快速發(fā)展也得益于電動車的發(fā)展迅速其技術(shù)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(yīng)用奠定了廣闊的前景。另外最近幾年研發(fā)出來的“超級”鋰離子電池，即快速充電電池，對一般的手機(jī)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(yīng)用更加方便快捷。

在電動汽車方面，現(xiàn)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(huán)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(dāng)做將來最有潛力發(fā)展作為電動汽車的能源。大型的鋰離子蓄電池開始應(yīng)用于純電動汽車和混合動力車。同時在水力、火力、風(fēng)力及太陽能電站、軍事裝備，航空航天等領(lǐng)域也發(fā)揮了越來越大作用，郵電通訊的持續(xù)供電電源。但是，鋰離子電池?zé)o論在技術(shù)還是材料方面還不成熟，還有很大的發(fā)展空間。鋰離子電池技術(shù)的研究及發(fā)展，為以后我國的新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入新的活力。