【《锂离子电池的技术发展概述》2500字】

锂离子电池的技术发展概述

1.1.锂离子电池发展情况

锂离子电池从发现到快速发展应用再到如今的新的创新型发展阶段一共经历了50年左右，它在上世纪50年代被发现不到30年的时间就迅速发展，主要归功于锂离子电池的可循环，可解决能源危机这一世界问题。现在人们正在研究功能性良好又稳定的新型锂离子电池，形成一种发展潮流。

锂离子电池最早在上世纪80年代末出现，在日本，起初是研究人员尝试用石油焦来作为电池负极，LiCoO2作为电池正极，研究发现这种电池可以循环充放电使用，性能也较为优良。90年代初，日本的索尼能源制造公司也开始开发，他们以碳材料或者石墨类材料作为电池负极，，LiCoO2作为电池正极，电解液用LiPF6+二乙烯碳酸酯（EC）+二甲基碳酸酯（DMC）制备锂离子电池[3]。

后来是锂离子电池的快速发展阶段，1980年，Armand[4]提出了“摇椅电池”顾名思义这种电池的特点是体系中的锂离子可往返嵌入脱出，主要是使用可嵌入式材料替代金属锂作为电池负极材料。这种前卫的设计方法，优点是避免了锂金属作为电池负极会引发的的安全问题。我们知道锂离子电池分为正级材料和负极材料，以此为基础研究人员做了许多的的研究工作，去寻找适用锂离子电池的正极材料和负极材料。在1980年，Goodenough教授[5]报道了层状结构材料LiCoO2，层间可以供锂离子嵌入脱出。不久，索尼公司也开发了商业化的锂离子电池，使用LiCoO2作为正极材料和碳作为负极材料，极大地推动了锂离子电池商业化的进程[6]。

再后来到2000年以后，研究人员不断开发新型锂离子电池，将锂离子电池发展推入新的阶段，现阶段人们主要研究碳材料，硅材料，锡材料和钛酸锂等。研究方向发生了变化，开始向动力电池的方向发展，近年来，由于对于环境方面的重视，因此，锂离子材料所具备的无记忆效应以及高比能量这些优良的电化学特性，已经成功应用于生产生活中，并不断拓宽了领域，成为新世纪尤为重要的储能装置。

1.2.锂离子电池的结构

如图1.1.2为锂离子电池的结构组成：1.正极-富锂化合物；2.负极-可脱嵌的活性材料（主要以石墨为主）；3.隔膜一锂离子迁移通道；4.电解液一影响电池性能；5.电池外壳。

用于为离子提供通道的膜材料是绝缘的，常见的是多孔的聚烯烃树脂，如聚乙烯（锂金属氧化物）、聚丙烯（PP）等[7]。

图1-2锂电池的结构示意图

1.3.锂离子电池的工作原理

锂离子电池的反应原理反主要是通过锂离子浓度差来实现，它的正极与负极材料都可以进行锂离子的脱出和嵌入，并提供有效通道。如图1-3所示，展示了锂离子电池的充电与放电的工作方式，当锂离子电池在充电时，锂离子从电池高锂状态的正极脱出并经过电解液运输嵌入到了电池负极中，与此同时电子由接通的外部电路流入电池的负极。而电池放电的过程与此恰恰相反，为锂离子从富锂状态的电池负极脱出通过隔膜嵌入到贫钾状态的电池正极，同时电子由接通的外部电路流人电池的正极。在电子转移的过程当中，复合电荷的守恒定律，因此电子在锂离子电池的正负极发生氧化还原反应，反应可逆。

图1-3锂电池的工作示意图

如图1-4所示，以正、负极分别为LiCoO2和石墨（C）为例来说明锂离子电池的工作机制，在充电情况下由外电路提供的电势差，Li+从LiCoO2的基体中脱出溶解到电解液溶剂的过程与其充电过程中Li+以及电子的运动方向是恰恰相反，互为可逆[8]。因其充电与放电过程锂离子与电子在电池的正极与负极之间来回的转移，使得锂离子电池充放电模式被称为是“摇椅式”充放电模式。而这种特殊的充放电模式之所以成为未来理想的轻型高动力装置，是因为拥有电池高容量、高电压等优点[9]。

图1-4锂离子电池的充、放电过程示意图

1.4.锂离子电池存在的问题

由于锂离子电池有许多优点，因此得到了广泛的研究。其优点是：体积和质量比能高而且没有记忆效应。记忆效应一般发生在镍镉或镍氢电池上。不完全的充放电循环将导致可用容量的迅速衰落，只有一次深度充放电才能恢复，锂离子电池的优势所在是可以随时重复充放电，还能保持稳定的容量。它有还极好的性能：1.工作电压高，2.工作温度范围宽，3.高低温放电性能优异。基于现在的研究所得锂离子电池的工作温度范围在0-45摄氏度左右，足以支撑大多数电子产品的使用温度，主要因为锂离子电池中的电解液可以产生固体保护膜（SEI膜）在电极的材料表面，从而可以阻止电极自放电。现在的大多数锂离子电池自放电率普遍在2%/月到8%/月之间，远远低于其他材料的电池。锂离子电池还有很长的循环寿命，主要由于其自身的“摇椅式”充放电模式，正负极的反应都是可逆的，材料与体积的变化都不明显，所以锂离子电池的循环性能非常良好。目前，商业化的LFP/LTO锂离子电池的循环寿命接近3000次。它不含有毒物质而且对环境友好，符合绿色发展。这是一座真正的绿色电池塔[10]

任何事物有优点，也有缺点，那么锂离子电池的缺点为：由于锂电池作为负极的金属锂的标准电极电势是最负的，所以电池负极的选材就尤为重要。碳材料（如石墨、硬碳）、金属氧化物和金属硫化物通常用作可充电锂电池的负极材料。在这些材料中，石墨等材料技术目前相对成熟，各方面的综合性能也是比较好的，而且价格低廉容易获得。而其他材料尚处于研究阶段，然而，一些负极材料也有缺点，例如碳，碳材料理论容量低，仅为372mAhg-1，就使得碳材料在低电压下极容易形成枝晶，导致电池内部短路，使大电流充电与放电变得不安全，导致事故容易发生，从而使得碳材料很难用于动力电池等高功率电子器件领域[11]。再者，锂离子电池价格高于铅酸或镍氢电池。电路又非常复杂，锂离子电池必须配备保护电路，防止过充、过放和短路。

1.5.锂离子电池问题的解决方法

锂离子电池的电化学性能主要取决于电极材料的性能。因此，怎样通过对材料的合理设计和切实可行的实验方案，提高锂离子电池电极材料的电化学性质，并且使其能够很好的应用到日常生活中，已经成为目前研究的重点方向。金属氧化物作为电池的负极材料有较高的理论比容量值，并且电化学活性非常优良。然而，一旦当金属氧化物与锂离子发生反应，会使电极的体积改变，使电极的内部结构被破坏，这是由它的反应机制决定的。为了提高金属氧化物作为电极材料的循环稳定性，发现了一种新的有效的方法，就是将金属氧化物与