锂离子电池的研究概况

袁焕丽

（周口师范学院 物理与机电工程学院，河南 周口 466000）

0 引言

高能量密度的锂离子电池，安全性能好，低污染；随着技术的发展，锂离子电池在电动汽车和自行车领域、航天、军事等领域之中的应用越来越广泛。锂离子电池都具有非常好的发展前景。对锂离子电池的研究，了解锂离子电池的研究概况，通过技术创新，进一步降低原材料成本，提高电池循环性能及稳定性，为以后锂离子电池的发展打下基础至关重要。

1 锂离子电池的研究概况

1.1 正极材料的发展趋势

锂离子电池由于其采用的正极材料的不同，会使其能量密度，温度特点以及比功率特点，以及安全性能有很大的不同，已经市场化锂离子电池正极材料一般采用LiCoO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2和LiFePO4这四种。钴酸锂是市场最早的锂离子电池正极材料，具有其它材料所没有的许多优点，其比能量高，充放电电压相对稳定、循环使用性能也相对于其他大多数材料较好，所以用其作为正极材料的锂离子电池在第一代产品中就已经相对广范。但用其生产的锂离子电池的不能承受较长时间的充电过程，所以其使用安全性能是其缺点，另外，由于其造价昂贵在需要大容量锂电池的车用锂电池上很难推广使用。LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2，它是可逆比容量最高可以达到160mAh/g的三元类材料，能够和电解液很好相容，循环性能也较第一种材料有很大发展的正极材料，其在手机电池中已经有了很长足的发展。研究表明可改变Ni、Co、Mn三种元素的比例产生多种不同的性能正极材料，满足不同类型产品的需求。LixMn2O4是一个低成本的材料，其热稳定性和抗电超过LiCOO2LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2，3D隧道结构由于其优越的嵌入和脱嵌Li+的性能，使它在制造高功率动力电池方面被广泛的应用。但是，其相对较低的比容量，以及相对较差的循环性能，对它的发展形成很大的限制。第四种：LiFePO4。对于近几年来应用相对广泛的这种材料来说，其作为一种磷酸盐聚阴离子化合物，无论是在安全性能，还是在耐高温性能，循环性能方面，它都具有很出色的表现，在动力电池还是在大功率的车载电池方面有很好的应用潜力。它存在主要缺点是电压平台和电导率低、低温的放电性和倍率放电差。综合考虑LiFePO4一定是有较好发展前景的正极材料。

1.2 负极材料的发展趋势

在当前，许多学者主要是将碳材料、合金材料钛酸锂及过渡金属氧化物等作为对立离子电池负极材料的主要研究方向。在这许多的研究当中，碳材料是最早被研究并作为锂离子电池负极材料成功运用到锂离子电池生产的材料。负极材料根据其结构特点的不同，一般可以分为三种：石墨、软碳、硬碳。其中易于石墨化的叫做软碳，难以石墨化的叫做硬碳。由于相似的结晶性能，在作为锂离子电池的负极材料时，软碳和石墨都会比硬碳更容易充电，安全性能也就更好。石墨类材料的技术相对成熟常用来作为锂电池负极材料，主要有天然石墨及其改性材料、中间相炭微球和石油焦类人造石墨等，其中中间相炭微球由于其球形的层结构使它的比容电量，安全性，放电效能和循环寿命等很多方面有很大的优势，但它的成本较高。硬碳材料首效低，压实密度低，工艺不成熟等缺点，使其至今还没有能够实现大规模的商品化，然而国内在这一领域的研究还处在试验阶段之中。锡基复合氧化物、碳硅复合材料和钛酸锂等也是当前许多学者所比较热衷的研究负极材料。钛酸锂的循环寿命十分长的优点，使其在作为锂动力电池负极材料的时候，具有非常大的优势，同时由于钛酸锂的体积变化也非常小，它也通常被称为零应变材料。在作为负极材料时，在钛酸锂和电解液间的分界面上不会出现SEI膜，并且它的内阻也不变大，所以它的安全性能非常高，另外，它的电压平台在1.5V左右的电压平台，也不会导致金属锂的析出。具有非常稳定的电压的平台，使其在作为锂离子电池的负极材料时，具有很好的耐过充性能和耐过放性能。然而，钛酸锂电极电位较高、压实密度和重量比能量较低带来的导电性和大倍率性能差，使钛酸锂在广泛的市场化前很难被广泛的应用。

1.3 电解质的研究概况

目前，电解液的溶剂包括碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯五类。目前，大多都是使用六氟磷酸锂电池电解质盐，混合溶剂，碳酸乙烯酯和脂肪族碳酸酯作为电解质。然而，对于和其他的电介质材料相比较而言，LiPF6的热稳定性和化学稳定性非常差，但是其负面影响不可以因为如何提高存储能力，进一步降低对于电池的安全性能，循环性能的忽视。因此,在研究其电解质的同时，对于新型电解质锂盐、功能添加剂的作用也需要做一个更加深入的了解，二草酸硼锂的使用已经受到了越来越多的关注。用这种盐反充电和SEI膜的电解液的阻燃效果是非常稳定。LiMn2O4在LiBOB中的分解热一般能够到达60J/g，但是LiFePO4的却更低，只有6～8J/g，它们的这些优点，可以极大的提升动力电池的安全性。所以，把LiBOB与LiPF6混合使用，就可以更好的发挥动力电池的高温循环性能，同时对于动力电池的的安全性能也会有极大地提高。

2 锂离子电池的测试方法

锂离子电池的检测需要通过恒流充电、恒压充电、充放电间隔、放电和周期间隔五个歩奏的检测。锂离子电池大量的检测时所选用的分选系统一般包括以下几种方法：使用三级计算机测控模式、模块化结构，这种电池分选系统具备恒流恒压充电、分段放电、自动报警等功能，可以同时检测分选数节电池。化为系统的特性分选功能和其他相比具有很特别的功能，对于挑选出来的锂离子电池，可以直接用来制作组和电池，不需要再经过其他的检测过程，成品率基本接近100%，这样检测过后对于保证产品质量，和节省人力物力会有很大的帮助。

3 锂离子电池的应用前景

锂离子电池的研发制造技术不断完善，使满足各种需求的锂离子电池迅速出现，使与之相关的的一大批产业也有了长足的突破，它使电话、手机、电脑、照相机、电动汽车和其他小型便携式的电动器械都有了很大的发展。锂离子电池技术的快速发展也得益于电动车的发展迅速其技术的逐渐成熟。特别是在便携式用电器具方面所带来的快速增长，为锂离子电池的应用奠定了广阔的前景。另外最近几年研发出来的“超级”锂离子电池，即快速充电电池，对一般的手机电池的充电只需要20秒的时间。这种“超级”锂离子电池会使其应用更加方便快捷。

在电动汽车方面，现在使用最多的电源仍然是铅酸蓄电池，铅酸蓄电池能量密度低，充电速度慢和寿命短，随着环保方面的要求増高，逐渐地会被其他的蓄电池所代替。锂离子电池由于其体积小、重量轻、能量大，被人们当做将来最有潜力发展作为电动汽车的能源。大型的锂离子蓄电池开始应用于纯电动汽车和混合动力车。同时在水力、火力、风力及太阳能电站、军事装备，航空航天等领域也发挥了越来越大作用，邮电通讯的持续供电电源。但是，锂离子电池无论在技术还是材料方面还不成熟，还有很大的发展空间。锂离子电池技术的研究及发展，为以后我国的新能源产业的发展注入新的活力。