鋰離子電池的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

莫火烙

摘 要：跟著科技的前進(jìn)，動(dòng)力科技也取得了極大的展開，電池作為一種清潔動(dòng)力，其技術(shù)的展開也得到了廣泛的重視。其間，二次電池因?yàn)槠淇芍貜?fù)充電放電的特點(diǎn)，是要點(diǎn)的研討方向。二次電池工業(yè)從最早的鉛酸電池（PbO2/Pb）鎳鎘電池（Ni/Cd）、鎳氫電池（Ni/MH）展開到現(xiàn)在的鋰離子電池、太陽能電池等，這些電池因?yàn)槠溆觾?yōu)異的功能，使電動(dòng)汽車等新式范疇的展開成為了可能。以下就現(xiàn)在的展開狀況，對各類電池做歸納介紹。

關(guān)鍵詞：鋰離子；電池；展開現(xiàn)狀；展望

1導(dǎo)語

新式電池層出不窮，蓬勃展開，這從旁邊面表現(xiàn)出了人類關(guān)于電能這種清潔動(dòng)力的需求。新式鋰離子電池愈加高效、安全，有可能進(jìn)一步展開成為代替化石燃料的清潔動(dòng)力，太陽能電池能夠把取之不盡的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，跟著新式太陽能電池的不斷展開，咱們能更好的利用太陽能。信任在不久的將來，高功率、低本錢、易出產(chǎn)、安全、安穩(wěn)的新式電池將作為動(dòng)力界的主力軍改動(dòng)咱們的日子，創(chuàng)造出更夸姣的國際。

2鋰離子電池的展開進(jìn)程

依照時(shí)刻進(jìn)程，鋰離子電池的展開能夠分為以下階段：鋰離子電池發(fā)作階段（1950—1980年）、鋰離子電池快速展開階段（1980—2000年）和鋰離子電池展開的新階段（2000年至今）。

2.1鋰離子電池發(fā)作階段（1950—1980）

日本是最早展開鋰離子電池研討的國家之一。1975年，三洋公司開發(fā)了Li/MnO2電池，隨后鋰二次電池開端量產(chǎn)。在充放電過程中，作為負(fù)極的金屬鋰簡略發(fā)作枝晶構(gòu)成電池短路，引起爆破等安全性問題，因而前期鋰離子電池展開緩慢。2004年日本松下電器制備出以碳氟化合物為正極資料的Li/（CF）n電池。美國Argon實(shí)驗(yàn)室研討的熔鹽鋰離子電池，選用Li-Al合金作為負(fù)極，F(xiàn)eS和FeS2為正極。

2.2鋰離子電池快速展開階段（1980—2000年）

1980年，提出以可嵌入式資料代替金屬鋰作為電池負(fù)極資料，系統(tǒng)中鋰離子可往復(fù)嵌入脫出，這種概念的電池被形象地稱為“搖椅電池”。“搖椅電池”創(chuàng)造性的規(guī)劃，避免了鋰金屬作為電池負(fù)極構(gòu)成鋰枝晶所引發(fā)的安全問題。研討人員做了很多的研討作業(yè)，尋覓可應(yīng)用于鋰離子電池的正極資料和負(fù)極資料。在1980年，報(bào)導(dǎo)了層狀結(jié)構(gòu)資料LiCoO2，層間能夠供鋰離子嵌入脫出。隨后，SONY公司最早開發(fā)了商業(yè)化的鋰離子電池，運(yùn)用LiCoO2作為正極資料和碳作為負(fù)極資料，極大地推動(dòng)了鋰離子電池商業(yè)化的進(jìn)程。1997年，又報(bào)導(dǎo)了磷酸鐵鋰資料，其特功能夠滿意動(dòng)力鋰離子電池的要求，在容量、循環(huán)功能和安全性方面都明顯進(jìn)步。

2.3鋰離子電池展開的新階段（2000年至今）

2000年以后，鋰離子電池展開進(jìn)入新階段，現(xiàn)在正極資料研討較多的有尖晶石狀的LiMn2O4，層狀的LiNil-xCoxO2、LiMn1-xCoxO2、LiNi1-xMnxO2、LiNi1-x-xCoxMnxO2，富鋰資料和聚陰離子型資料LiMPO4（M為Fe、Mn、V等）；負(fù)極資料研討較多的有碳基資料、硅基資料、錫基資料和鈦酸鋰等。除此之外，對鋰-硫電池、鋰-空氣電池和金屬鋰負(fù)極也進(jìn)行了深化的研討，并取得了長足的展開。

3鋰離子電池負(fù)極資料

鋰離子電池負(fù)極資料分為碳資料、錫基資料、硅基資料、鈦酸鋰Li4Ti5O12和過渡金屬氧化物。

3.1碳資料

現(xiàn)在，碳資料是鋰離子電池中運(yùn)用最廣泛的負(fù)極資料。碳資料的長處在于其嵌鋰電勢低（<1.0Vvs.Li+/Li）、循環(huán)安穩(wěn)。碳資料能夠分為石墨化碳和非石墨化碳。石墨化碳有天然石墨、人造石墨等。非石墨化碳包括軟碳和硬碳。軟碳是指在高溫下能夠石墨化的碳資料；硬碳是指在高溫下也無法石墨化的碳資料。石墨化碳的碳具有層狀結(jié)構(gòu)，層距離為0.335nm，層間為較弱的范德華力銜接。石墨化碳的嵌鋰機(jī)理是鋰離子能夠可逆地嵌入石墨層間，構(gòu)成石墨插層化合物，嵌鋰后其理論式為LiC6。石墨化碳的理論比容量為372mAh/g，但因?yàn)殡s質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)，其實(shí)踐比容量為300mAh/g左右。石墨化碳因?yàn)闊o法構(gòu)成安穩(wěn)的SEI膜，導(dǎo)致其初次充放電庫侖功率低，循環(huán)功能差，且其對電解質(zhì)靈敏。經(jīng)過對石墨化碳改性處理如表面包覆、摻雜可改進(jìn)其功率低和循環(huán)功能差的缺點(diǎn)。軟碳主要指中間相碳微球（MCMB），其容量為320mAh/g左右。硬碳是高分子聚合物的熱解碳，是難以石墨化的碳，由相互交聯(lián)疊加的單石墨層構(gòu)成，因而具有更大的比表面積和更大的比容量，可是循環(huán)功能較差，不可逆容量高。

3.2錫基資料

錫基資料能夠可逆脫嵌鋰，1mol錫能夠與4.4mol鋰發(fā)作反響，其理論比容量高達(dá)994mAh/g。錫基資料主要有金屬錫、錫的氧化物（SnO、SnO2）、錫的合金以及錫-碳復(fù)合資料。錫基資料體積效應(yīng)嚴(yán)峻，充放電過程中電極資料重復(fù)脹大縮短，終究資料粉化，結(jié)構(gòu)崩塌，因而錫基資料循環(huán)功能欠佳?，F(xiàn)在錫基資料的研討要點(diǎn)是使資料納米化或非晶化，以進(jìn)步資料的循環(huán)功能。

3.3硅基資料

硅基資料能夠與鋰構(gòu)成合金Li22Si5，其理論比容量高達(dá)4200mAh/g，是現(xiàn)在比容量最高的負(fù)極資料。硅基資料嵌鋰電勢很低（<0.5Vvs.Li+/Li），在循環(huán)過程中不簡略構(gòu)成鋰枝晶，是一種高能量的鋰離子電池電極資料。在循環(huán)過程中，鋰在硅基資猜中嵌入和脫出，伴跟著很大的體積效應(yīng)（可到達(dá)400%），因而硅基資料的循環(huán)功能較差。而且，硅基資料是一種半導(dǎo)體資料，導(dǎo)電功能一般?，F(xiàn)在硅基資料的研討熱門是制備硅-碳復(fù)合資料和納米硅，來抑制硅基資料的體積效應(yīng)。

3.4鈦酸鋰Li4Ti5O12

鈦酸鋰Li4Ti5O12是尖晶石結(jié)構(gòu)，其理論比容量為175mAh/g。Li4Ti5O12在充放電過程中，體積改變不到0.2%，是一種“零應(yīng)變”的資料，循環(huán)功能非常優(yōu)異。鈦酸鋰Li4Ti5O12電壓渠道為1.5V，容量集中在渠道區(qū)域，資料在循環(huán)過程中不會構(gòu)成SEI膜，也不會析出金屬鋰。Li4Ti5O12制備工藝簡略，價(jià)格便宜。作為負(fù)極資料，Li4Ti5O12渠道電壓1.5V略高，比較于碳負(fù)極的電壓渠道（<1.0V）和硅負(fù)極的電壓渠道（<0.5V），電池能量密度下風(fēng)明顯。

3.5過渡金屬氧化物

過渡金屬氧化物資料在嵌鋰時(shí)會構(gòu)成Li2O，在脫鋰時(shí)能夠重新構(gòu)成金屬氧化物[16，19]。這類資料理論比容量一般為700mAh/g左右。過渡金屬氧化物中主要有Co、Ni、Cu、Fe、Mn、Ti、V等金屬的氧化物。作為鋰離子電池負(fù)極資料的嵌鋰機(jī)理為

過渡金屬氧化物作為鋰離子電池負(fù)極資料，能夠進(jìn)步電池的容量。可是這類資料體積效應(yīng)明顯，循環(huán)功能較差，不可逆容量丟失大，一起制備工藝雜亂，制備本錢高。因而現(xiàn)在的研討還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。過渡金屬氧化物作為鋰離子電池負(fù)極資料，能夠進(jìn)步電池的容量?？墒沁@類資料體積效應(yīng)明顯，循環(huán)功能較差，不可逆容量丟失大，一起制備工藝雜亂，制備本錢高。因而現(xiàn)在的研討還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

4結(jié)語

鋰離子電池因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)特性，使其比較傳統(tǒng)的二次電池具有比能量高、無記憶效應(yīng)、作業(yè)電壓高以及安全、長壽命的特點(diǎn)。以上總述了現(xiàn)在常用的鋰離子電池正極資料、負(fù)極資料、電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)?？墒窃趯?shí)踐應(yīng)用中，鋰離子電池還存在能量密度較低、倍率功能不行及一致性較差的問題。未來，鋰離子電池將向著進(jìn)一步提高能量密度的方向展開，包括選用金屬鋰作為負(fù)極資料、嵌入式化合物作為正極資料、聚合物固態(tài)電解質(zhì)和選用鋰-硫電池、鋰-空氣電池等。

參考文獻(xiàn)

[1]陳洪道.鋰離子電池的安全性能評價(jià)技術(shù)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016（18）：130.

[2]閆金定.鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀及其前景分析[J].航空學(xué)報(bào)，2014，35（10）：2767-2775.

（作者單位：廣州鴻森材料有限公司）