锂离子电池的发展现状及展望

莫火烙

摘 要：跟着科技的前进，动力科技也取得了极大的展开，电池作为一种清洁动力，其技术的展开也得到了广泛的重视。其间，二次电池因为其可重复充电放电的特点，是要点的研讨方向。二次电池工业从最早的铅酸电池（PbO2/Pb）镍镉电池（Ni/Cd）、镍氢电池（Ni/MH）展开到现在的锂离子电池、太阳能电池等，这些电池因为其愈加优异的功能，使电动汽车等新式范畴的展开成为了可能。以下就现在的展开状况，对各类电池做归纳介绍。

关键词：锂离子；电池；展开现状；展望

1导语

新式电池层出不穷，蓬勃展开，这从旁边面表现出了人类关于电能这种清洁动力的需求。新式锂离子电池愈加高效、安全，有可能进一步展开成为代替化石燃料的清洁动力，太阳能电池能够把取之不尽的太阳能转化为电能，跟着新式太阳能电池的不断展开，咱们能更好的利用太阳能。信任在不久的将来，高功率、低本钱、易出产、安全、安稳的新式电池将作为动力界的主力军改动咱们的日子，创造出更夸姣的国际。

2锂离子电池的展开进程

依照时刻进程，锂离子电池的展开能够分为以下阶段：锂离子电池发作阶段（1950—1980年）、锂离子电池快速展开阶段（1980—2000年）和锂离子电池展开的新阶段（2000年至今）。

2.1锂离子电池发作阶段（1950—1980）

日本是最早展开锂离子电池研讨的国家之一。1975年，三洋公司开发了Li/MnO2电池，随后锂二次电池开端量产。在充放电过程中，作为负极的金属锂简略发作枝晶构成电池短路，引起爆破等安全性问题，因而前期锂离子电池展开缓慢。2004年日本松下电器制备出以碳氟化合物为正极资料的Li/（CF）n电池。美国Argon实验室研讨的熔盐锂离子电池，选用Li-Al合金作为负极，FeS和FeS2为正极。

2.2锂离子电池快速展开阶段（1980—2000年）

1980年，提出以可嵌入式资料代替金属锂作为电池负极资料，系统中锂离子可往复嵌入脱出，这种概念的电池被形象地称为“摇椅电池”。“摇椅电池”创造性的规划，避免了锂金属作为电池负极构成锂枝晶所引发的安全问题。研讨人员做了很多的研讨作业，寻觅可应用于锂离子电池的正极资料和负极资料。在1980年，报导了层状结构资料LiCoO2，层间能夠供锂离子嵌入脱出。随后，SONY公司最早开发了商业化的锂离子电池，运用LiCoO2作为正极资料和碳作为负极资料，极大地推动了锂离子电池商业化的进程。1997年，又报导了磷酸铁锂资料，其特功能够满意动力锂离子电池的要求，在容量、循环功能和安全性方面都明显进步。

2.3锂离子电池展开的新阶段（2000年至今）

2000年以后，锂离子电池展开进入新阶段，现在正极资料研讨较多的有尖晶石状的LiMn2O4，层状的LiNil-xCoxO2、LiMn1-xCoxO2、LiNi1-xMnxO2、LiNi1-x-xCoxMnxO2，富锂资料和聚阴离子型资料LiMPO4（M为Fe、Mn、V等）；负极资料研讨较多的有碳基资料、硅基资料、锡基资料和钛酸锂等。除此之外，对锂-硫电池、锂-空气电池和金属锂负极也进行了深化的研讨，并取得了长足的展开。

3锂离子电池负极资料

锂离子电池负极资料分为碳资料、锡基资料、硅基资料、钛酸锂Li4Ti5O12和过渡金属氧化物。

3.1碳资料

现在，碳资料是锂离子电池中运用最广泛的负极资料。碳资料的长处在于其嵌锂电势低（<1.0Vvs.Li+/Li）、循环安稳。碳资料能够分为石墨化碳和非石墨化碳。石墨化碳有天然石墨、人造石墨等。非石墨化碳包括软碳和硬碳。软碳是指在高温下能够石墨化的碳资料；硬碳是指在高温下也无法石墨化的碳资料。石墨化碳的碳具有层状结构，层距离为0.335nm，层间为较弱的范德华力衔接。石墨化碳的嵌锂机理是锂离子能够可逆地嵌入石墨层间，构成石墨插层化合物，嵌锂后其理论式为LiC6。石墨化碳的理论比容量为372mAh/g，但因为杂质和结构缺点，其实践比容量为300mAh/g左右。石墨化碳因为无法构成安稳的SEI膜，导致其初次充放电库仑功率低，循环功能差，且其对电解质灵敏。经过对石墨化碳改性处理如表面包覆、掺杂可改进其功率低和循环功能差的缺点。软碳主要指中间相碳微球（MCMB），其容量为320mAh/g左右。硬碳是高分子聚合物的热解碳，是难以石墨化的碳，由相互交联叠加的单石墨层构成，因而具有更大的比表面积和更大的比容量，可是循环功能较差，不可逆容量高。

3.2锡基资料

锡基资料能够可逆脱嵌锂，1mol锡能够与4.4mol锂发作反响，其理论比容量高达994mAh/g。锡基资料主要有金属锡、锡的氧化物（SnO、SnO2）、锡的合金以及锡-碳复合资料。锡基资料体积效应严峻，充放电过程中电极资料重复胀大缩短，终究资料粉化，结构崩塌，因而锡基资料循环功能欠佳。现在锡基资料的研讨要点是使资料纳米化或非晶化，以进步资料的循环功能。

3.3硅基资料

硅基资料能够与锂构成合金Li22Si5，其理论比容量高达4200mAh/g，是现在比容量最高的负极资料。硅基资料嵌锂电势很低（<0.5Vvs.Li+/Li），在循环过程中不简略构成锂枝晶，是一种高能量的锂离子电池电极资料。在循环过程中，锂在硅基资猜中嵌入和脱出，伴跟着很大的体积效应（可到达400%），因而硅基资料的循环功能较差。而且，硅基资料是一种半导体资料，导电功能一般。现在硅基资料的研讨热门是制备硅-碳复合资料和纳米硅，来抑制硅基资料的体积效应。

3.4钛酸锂Li4Ti5O12

钛酸锂Li4Ti5O12是尖晶石结构，其理论比容量为175mAh/g。Li4Ti5O12在充放电过程中，体积改变不到0.2%，是一种“零应变”的资料，循环功能非常优异。钛酸锂Li4Ti5O12电压渠道为1.5V，容量集中在渠道区域，资料在循环过程中不会构成SEI膜，也不会析出金属锂。Li4Ti5O12制备工艺简略，价格便宜。作为负极资料，Li4Ti5O12渠道电压1.5V略高，比较于碳负极的电压渠道（<1.0V）和硅负极的电压渠道（<0.5V），电池能量密度下风明显。

3.5过渡金属氧化物

过渡金属氧化物资料在嵌锂时会构成Li2O，在脱锂时能够重新构成金属氧化物[16，19]。这类资料理论比容量一般为700mAh/g左右。过渡金属氧化物中主要有Co、Ni、Cu、Fe、Mn、Ti、V等金属的氧化物。作为锂离子电池负极资料的嵌锂机理为

过渡金属氧化物作为锂离子电池负极资料，能够进步电池的容量。可是这类资料体积效应明显，循环功能较差，不可逆容量丢失大，一起制备工艺杂乱，制备本钱高。因而现在的研讨还停留在实验室阶段。过渡金属氧化物作为锂离子电池负极资料，能够进步电池的容量。可是这类资料体积效应明显，循环功能较差，不可逆容量丢失大，一起制备工艺杂乱，制备本钱高。因而现在的研讨还停留在实验室阶段。

4结语

锂离子电池因为其结构特性，使其比较传统的二次电池具有比能量高、无记忆效应、作业电压高以及安全、长寿命的特点。以上总述了现在常用的锂离子电池正极资料、负极资料、电解质的结构与性质。可是在实践应用中，锂离子电池还存在能量密度较低、倍率功能不行及一致性较差的问题。未来，锂离子电池将向着进一步提高能量密度的方向展开，包括选用金属锂作为负极资料、嵌入式化合物作为正极资料、聚合物固态电解质和选用锂-硫电池、锂-空气电池等。

参考文献

[1]陈洪道.锂离子电池的安全性能评价技术[J].电子技术与软件工程，2016（18）：130.

[2]闫金定.锂离子电池发展现状及其前景分析[J].航空学报，2014，35（10）：2767-2775.

（作者单位：广州鸿森材料有限公司）