锂离子电池的发展现状及展望

王鹏博，郑俊超

中南大学冶金与环境学院，长沙 410083

锂离子电池的发展现状及展望

王鹏博，郑俊超†

中南大学冶金与环境学院，长沙 410083

锂离子电池具有比能量高、无记忆效应、工作电压高以及安全、长寿命的特点。本文回顾了锂离子电池的发展历史，分析了锂离子电池的工作原理，总结了锂离子电池的特点，综述了目前锂离子电池常用的正、负极电极材料和电解质，最后分析了锂离子电池目前存在的问题并对其未来的发展进行了展望。

锂离子电池；正极材料；负极材料；电解质

一直以来由于大量使用化石燃料，造成严重的环境污染，并必将带来能源枯竭的问题。如今，人类正积极开发利用可再生的清洁能源，如光能、潮汐能、水能、风能和化学电源 (电化学电源)。电化学电源因其易于将能源储存与转化，正发挥着越来越重要的作用。目前最常用的电化学二次电池有铅酸电池(lead acid)、镍镉电池(Cd/Ni)、镍氢电池(MH/Ni)和锂离子电池(lithium-ion battery)四种。其中，锂离子电池具有比能量高、无记忆效应、工作电压高、安全、寿命长及循环性能好的优点，被广泛用于电动汽车、电子设备以及储能设备中[1]。

1 锂离子电池的发展历程

按照时间进程，锂离子电池的发展可以分为以下阶段：锂离子电池产生阶段(1950—1980年)、锂离子电池快速发展阶段(1980—2000年)和锂离子电池发展的新阶段(2000年至今 )。

1.1 锂离子电池产生阶段(1950—1980)

日本是最早开展锂离子电池研究的国家之一。1975年，三洋公司开发了Li/MnO2电池，随后锂二次电池开始量产。在充放电过程中，作为负极的金属锂容易产生枝晶造成电池短路，引起爆炸等安全性问题，因此早期锂离子电池发展缓慢。2004年日本松下电器制备出以碳氟化合物为正极材料的Li/(CF)n电池[2]。美国Argon实验室研究的熔盐锂离子电池，采用Li-Al合金作为负极，FeS和FeS2为正极[3]。

1.2 锂离子电池快速发展阶段(1980—2000年)

1980年，Armand[4]提出以可嵌入式材料替代金属锂作为电池负极材料，体系中锂离子可往返嵌入脱出，这种概念的电池被形象地称为“摇椅电池”。“摇椅电池”创造性的设计，避免了锂金属作为电池负极形成锂枝晶所引发的安全问题。

研究人员做了大量的研究工作，寻找可应用于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。随后，SONY公司最早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[6]，极大地推动了锂离子电池商业化的进程。

1997年，Goodenough教授[7]又报道了磷酸铁锂材料，其特性可以满足动力锂离子电池的要求，在容量、循环性能和安全性方面都明显提高。

1.3 锂离子电池发展的新阶段(2000年至今)

2000年以后，锂离子电池发展进入新阶段，目前正极材料研究较多的有尖晶石状的LiMn2O4，层状的LiNil-xCoxO2、LiMn1-xCoxO2、LiNi1-xMnxO2、LiNi1-x-xCoxMnxO2，富锂材料和聚阴离子型材料LiMPO4(M为Fe、Mn、V等)；负极材料研究较多的有碳基材料、硅基材料、锡基材料和钛酸锂等。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入的研究，并取得了长足的发展。

2 锂离子电池的工作原理

锂离子电池(图1)主要由能够发生可逆脱嵌反应的正负极材料、能够传输锂离子的电解质和隔膜组成。充电时，锂离子从正极活性物质中脱出，在外电压的驱使下经电解液向负极迁移，嵌入负极活性物质中，同时电子经外电路由正极流向负极，电池处于负极富锂、正极贫锂的高能状态，实现电能向化学能的转换；放电时，锂离子从负极脱嵌，迁移至正极后嵌入活性物质的晶格中，外电路电子由负极流向正极形成电流，实现化学能向电能的转换[8]。

图1 锂离子电池充放电过程示意图[8]

如果以LiCoO2为正极，石墨化的碳材料为负极，则锂离子电池表达式为：

3 锂离子电池的特点

锂离子电池之所以得到迅速的发展是由于同铅酸电池(lead acid)、镍镉电池(Cd/Ni)和镍氢电池(MH/Ni)相比具有更优的性能(图2)。

锂离子电池的性能优势主要有以下方面[9]：

(1)比能量高。锂离子电池的质量比能量是镍镉电池的2倍以上，是铅酸电池的4倍，即同样储能条件下体积仅是镍镉电池的一半。因此，便携式电子设备使用锂离子电池可以使其小型轻量化。

(2)工作电压高。一般单体锂离子电池的电压约为3.6 V，有些甚至可达到4 V以上，是镍镉电池和镍氢电池的3倍，铅酸电池的2倍。

(3)循环使用寿命长。80%DOD(放电深度)充放电可达1 200次以上，远远高于其他电池，具有长期使用的经济性。

(4)自放电小。一般月均放电率10%以下，不到镍镉电池和镍氢电池的一半。

(5)电池中没有环境污染，称为绿色电池。

(6)较好的加工灵活性，可制成各种形状的电池。

当然，锂离子电池也有一些待解决的问题，例如锂离子电池内部电阻较高，工作电压变化较大，部分电极材料(如LiCoO2)的价格较高，充电时需要保护电路防止过充等。

4 锂离子电池正极材料

锂离子电池正极材料按照其组成材料的晶体结构[10]类型来分，可分为：层状氧化物LiMO2(如钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂等)、多元复合的氧化物、尖晶石型LiM2O4(如锰酸锂等)、聚阴离子型化合物(如磷酸铁锂、磷酸钒锂、磷酸锰锂等)和富锂材料等。

4.1 层状氧化物钴酸锂LiCoO2

钴酸锂材料的结构为理想的α-NaFeO2层状结构。根据计算，钴酸锂材料的理论比容量为274 mAh/g。在应用中其实际比容量可达140 mAh/g；在较高的充电电压下，其比容量可达到200 mAh/g。钴酸锂在作为正极材料时，其作为骨架作用帮助锂离子的嵌入和脱出的过程比较稳定。根据统计，在钴酸锂材料充放电过程中约有50%的锂离子会进行可逆的嵌入和脱出。锂离子从钴酸锂材料中过度的脱嵌，会对材料的本体结构产生影响，使其稳定性和循环性能降低。

钴酸锂材料是目前最成熟的锂离子电池正极材料。钴酸锂材料具有充放电性能稳定、材料易于合成的优点，但是钴资源匮乏，价格比较昂贵，这是限制钴酸锂材料更大规模使用的主要原因，而且钴材料具有一定的毒性，这也影响了其进一步应用。因此人们正开发其他正极材料来取代钴酸锂材料。

4.2 层状氧化物镍酸锂LiNiO2

镍酸锂的空间群为R-3m，属于α-NaFeO2的结构。镍酸锂材料理论比容量为275 mAh/g，实际使用中比容量可达到200 mAh/g。此外，镍酸锂价格低廉，无毒，与许多电解质溶液相容性好。但是镍酸锂的制备难度相当大，条件要求很苛刻，这限制了镍酸锂材料的实际应用[11]。

4.3 尖晶石型锰酸锂LiMn2O4

尖晶石型锰酸锂属于立方晶系。其理论比容量为148 mAh/g，而实际充放电比容量只有120 mAh/g。锰酸锂材料的价格低廉，且资源丰富，出于成本考虑锰酸锂材料的广泛应用具有很好的基础。根据统计，其制备成本为同等条件下钴酸锂材料制备成本的5%，锰酸锂材料因此具有很大的优势。目前所使用的电解液中含有微量的HF，它会使电极材料中的锰酸锂溶解，并且锰酸锂对其溶解具有自催化效应，加剧了锰的溶解，因而锰酸锂的循环性能较差。

4.4 二元复合的氧化物LiMxMn2-xO4

二元复合的氧化物LiMxMn2-xO4是采用过渡金属元素掺杂尖晶石型锰酸锂的材料，最显著的优势是具有一个很高的电压平台(一般可达到4.5 V以上)，其中，研究最多的是LiNi0.5Mn1.5O4。LiNi0.5Mn1.5O4在充放电过程中电压平台在4.7 V左右，对应于Ni3+/Ni4+的转化。LiNi0.5Mn1.5O4的理论比容量为146.7 mAh/g，由于其电压平台很高，也是高能量密度的锂离子电池。

4.5 三元复合的氧化物LiNixCoyMn1-x-yO2

镍钴锰三元系正极材料由于协同效应，其电化学性能优于任何单一组元，集合了三者的优点，也弥补了各自的不足，具有高的比容量、低成本、循环性能好、安全性能高等特点。钴元素作为骨架可以稳定电极材料的层状结构，减少循环过程中离子的混排；镍元素是保证材料具有高容量的基础；锰元素则主要起稳定材料结构作用，提高材料的安全性，同时降低成本。三元系的正极材料的理论比容量为277 mAh/g，其实际比容量为200 mAh/g[12]，高于已经广泛使用的钴酸锂正极材料，被认为是理想的取代钴酸锂材料的正极材料。

4.6 聚阴离子型化合物

磷酸铁锂材料理论比容量可达到170 mAh/g，工作电压大约为3.4 V，可作为动力型锂离子电池。橄榄石结构的LiFePO4属于正交晶系，空间群为Pnma，其结构决定了稳定性好，但是磷酸铁锂也有很多不足之处，如：导电率低，只有10-9S/cm；锂离子扩散系数低；振实密度低。这些缺点严重地影响了磷酸铁锂的产业化。目前磷酸铁锂材料主要的改性方法有表面包覆导电材料、掺杂金属离子以及减小材料的粒径至纳米级。

磷酸钒锂(Li3V2(PO4)3)和磷酸锰锂(LiMnPO4)也是两个重要的聚阴离子型正极材料。磷酸钒锂(Li3V2(PO4)3)具有两种结构，分别是菱方结构和单斜结构，理论比容量高达197 mAh/g，具有很好的应用前景。橄榄石型结构的磷酸锰锂(LiMnPO4)具有较高的充电电压，但是导电性能很差，限制了其应用。

有研究报道，使用Li3V2(PO4)3和LiFePO4制备复合电极材料具有很好的倍率性能。Zheng等[13-15]使用固相法制备了Li3V2(PO4)3-LiVPO4F、LiFePO4-Li3V2(PO4)3、LiFePO4-Li3V2(PO4)3-LiVPO4F和LiVP2O7-Li3V2(PO4)3-LiVPO4F复合电极材料，使用水热法原位合成了LiVOPO4@V2O5核壳结构纳米球形正极材料，其复合材料的电化学性能明显优于单一电极材料。

4.7 富锂材料xLi2MnO3·(1-x)LiMO2

富锂材料分子式可以写为xLi2MnO3·(1-x) LiMO2(M为Ni、Co、Ni1/3Co1/3Mn1/3等)。富锂材料可逆比容量高达200～300 mAh/g，工作电压高达5 V，在正极材料中具有最高的能量密度；同时富锂材料循环稳定性较好，价格低廉[14-17]。但是，富锂材料首次不可逆容量损失大(＞50 mAh/g)，导致首次循环效率低(～60%)。由于锰导电性能很差，富锂材料的倍率性能较差，这些缺点严重制约富锂材料的应用。目前富锂材料主要的改性方法有表面包覆、材料纳米化等。

5 锂离子电池负极材料

锂离子电池负极材料分为碳材料、锡基材料、硅基材料、钛酸锂Li4Ti5O12和过渡金属氧化物。

5.1 碳材料

目前，碳材料是锂离子电池中使用最广泛的负极材料。碳材料的优点在于其嵌锂电势低(＜1.0 V vs. Li+/Li )、循环稳定。碳材料可以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。非石墨化碳包含软碳和硬碳。软碳是指在高温下可以石墨化的碳材料；硬碳是指在高温下也无法石墨化的碳材料。

石墨化碳的碳具有层状结构，层间距为0.335 nm，层间为较弱的范德华力连接。石墨化碳的嵌锂机理是锂离子能够可逆地嵌入石墨层间，形成石墨插层化合物，嵌锂后其理论式为LiC6[13,18]。石墨化碳的理论比容量为372 mAh/g，但由于杂质和结构缺陷，其实际比容量为300 mAh/g左右。石墨化碳由于无法形成稳定的SEI膜，导致其首次充放电库仑效率低，循环性能差，且其对电解质敏感。通过对石墨化碳改性处理如表面包覆、掺杂可改善其效率低和循环性能差的缺点。

软碳主要指中间相碳微球(MCMB)，其容量为320 mAh/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，因此具有更大的比表面积和更大的比容量，但是循环性能较差，不可逆容量高。

5.2 锡基材料

锡基材料可以可逆脱嵌锂，1 mol锡可以与4.4 mol锂发生反应，其理论比容量高达994 mAh/g。锡基材料主要有金属锡、锡的氧化物(SnO、SnO2)、锡的合金以及锡-碳复合材料。

锡基材料体积效应严重，充放电过程中电极材料反复膨胀收缩，最终材料粉化，结构坍塌，因此锡基材料循环性能欠佳。

目前锡基材料的研究重点是使材料纳米化或非晶化，以提高材料的循环性能。

5.3 硅基材料

硅基材料可以与锂形成合金Li22Si5，其理论比容量高达4 200 mAh/g，是目前比容量最高的负极材料。硅基材料嵌锂电势很低(＜0.5 V vs. Li+/Li)，在循环过程中不容易形成锂枝晶，是一种高能量的锂离子电池电极材料。

在循环过程中，锂在硅基材料中嵌入和脱出，伴随着很大的体积效应(可达到400%)，因此硅基材料的循环性能较差。而且，硅基材料是一种半导体材料，导电性能一般。

目前硅基材料的研究热点是制备硅-碳复合材料和纳米硅，来抑制硅基材料的体积效应。

5.4 钛酸锂Li4Ti5O12

钛酸锂Li4Ti5O12是尖晶石结构，其理论比容量为175 mAh/g。Li4Ti5O12在充放电过程中，体积变化不到0.2%，是一种“零应变”的材料，循环性能非常优秀。钛酸锂Li4Ti5O12电压平台为1.5 V，容量集中在平台区域，材料在循环过程中不会形成SEI膜，也不会析出金属锂。Li4Ti5O12制备工艺简单，价格便宜。

作为负极材料，Li4Ti5O12平台电压1.5 V略高，相比于碳负极的电压平台(＜1.0 V)和硅负极的电压平台(＜0.5 V)，电池能量密度劣势明显。

5.5 过渡金属氧化物

过渡金属氧化物材料在嵌锂时会形成Li2O，在脱锂时可以重新形成金属氧化物[16,19]。这类材料理论比容量通常为700 mAh/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材料的嵌锂机理为

过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料，可以提高电池的容量。但是这类材料体积效应显著，循环性能较差，不可逆容量损失大，同时制备工艺复杂，制备成本高。因此目前的研究还停留在实验室阶段。

6 锂离子电池电解质体系

在锂离子电池中，电解质承载传输锂离子的作用，因此电解质的性质也会决定锂离子电池的性能。锂离子电池电解质体系一般由电解质锂盐、电解质有机溶剂和稳定成分的添加剂组成。

电解质锂盐种类很多，主要有LiPF6、LiClO4和LiAsF6等[17,20]。LiClO4是早期研究的电解质锂盐，具有很强的氧化性，容易引起电池安全性问题，目前使用较少。LiAsF6导电性较好，但是As元素的毒性限制了它的使用。LiPF6具有较好的离子电导率、较优的稳定性和较低的环境污染等优点，是目前首选的锂离子电池电解质，但是其价格较高[18,21]。

电解质溶剂必须是非质子溶剂以保证足够的电化学稳定性和不与锂发生反应。溶剂的熔点和沸点决定了电池工作的温度范围，一般要求高的沸点、低的熔点；介电常数和偶极距决定了锂盐在其中的溶解度；黏度决定着Li+在电解液中的流动性；闪燃点与电池安全性密切相关[19,22]。常用的电解液溶剂体系有EC+DMC、EC+DEC、EC+DMC+EMC和EC+DMC+DEC等。

7 锂离子电池发展面临的问题

虽然锂离子电池因其自身优点，在交通、工业、军事、消费类电子产品等领域得到了越来越广泛的应用。但是，锂离子电池在实际应用中还存在很多的问题，主要有以下三个方面。

7.1 能量密度较低

从铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池，再到锂离子电池，能量密度一直在不断地提升。1991年，Sony公司首先将锂离子电池进行商业化，能量密度为80 Wh/kg。如今，锂离子电池的能量密度达到260 Wh/kg。可是提升的速度相对于工业规模的发展速度而言，显得太慢了。可以说，电池能量密度是制约当前锂离子电池发展的最大瓶颈。

针对能量密度成为瓶颈的现状，全球各国都制订了相关的电池产业政策目标。 日本政府在2009年提出了高能量密度锂离子电池的研发目标：至2020年锂离子电池能量密度发展到250 Wh/kg，2030年达到500 Wh/kg，2030年后发展到700 Wh/kg。《中国制造2025》中确定的目标是至2020年我国生产锂离子电池能量密度达到300 Wh/kg，2025年达到400 Wh/kg，2030年要达到500 Wh/kg。可见，目前商业化锂离子电池的能量密度与国家确定的技术目标还存在一定差距。

吴娇杨[20,23]对常用的锂离子电池和金属锂离子电池电极材料的能量密度进行了计算(图3)。计算表明，正极材料采用Li-rich-300和负极材料采用Si-C-2000的电芯体系，在目前的电池体系中具有最高质量能量密度584 Wh/kg(该数据不包含封装材料和极耳)以及最高体积能量密度1 645 Wh/L。可以看出，该体系能量密度符合国家确定的技术目标的发展。但是，富锂锰基材料和硅基材料要实现300 mAh/g和2 000 mAh/g还存在许多技术困难。

图3 以负极材料Si-C-2000与不同正极材料匹配的锂离子电池能量密度

7.2 倍率性能

锂离子电池的充放电倍率，决定了可以以多快的速度将一定的能量存储到电池里面，或者以多快的速度将电池里面的能量释放出来。

锂离子电池的性能已经有了长足的进步，但当其在高倍率下充放电时容量衰减很快，安全性能变差。例如：将锂离子电池用于电动汽车，其动力仍远远落后于传统的燃油机，这影响着电动汽车的加速、爬坡能力。使用磷酸铁锂材料作为正极时，锂离子电池循环稳定，安全可靠。但是由于磷酸铁锂材料表面电子导电率和离子导电率很差，导致其倍率性能很差，极大限制了磷酸铁锂材料作为锂离子电池正极的使用，目前改性磷酸铁锂材料提高其倍率性能仍是研究热点。

锂离子电池的充放电倍率性能主要与锂离子电池的电极材料和电解质有关。电极材料的类型、结构、尺寸和表面电阻会直接或间接影响电极的内阻，进而对锂离子电池的倍率性能产生影响。电解质的锂离子传导能力和电化学窗口会影响电池的嵌锂程度、循环性能和安全性能。

因此，在提高锂离子电池能量密度的同时，也应考虑电池的倍率性能。

7.3 一致性

锂离子电池的额定电压一般为3.7 V左右，在实际应用中需要大量的锂离子电池串、并联形成的电池组，例如Tesla的Model S电动汽车使用了7 104块18650型电池。如果电池的一致性达不到要求，电池系统将不能让每个电池的性能发挥出来。因此，单个电池的性能一致性是至关重要的。

8 结论与展望

锂离子电池由于其结构特性，使其相比传统的二次电池具有比能量高、无记忆效应、工作电压高以及安全、长寿命的特点。以上综述了目前常用的锂离子电池正极材料、负极材料、电解质的结构与性质。但是在实际应用中，锂离子电池还存在能量密度较低、倍率性能不够及一致性较差的问题。未来，锂离子电池将向着进一步提升能量密度的方向发展，包括采用金属锂作为负极材料、嵌入式化合物作为正极材料、聚合物固态电解质和采用锂-硫电池、锂-空气电池等。

(2017年6月14日收稿)

参考文献

[1] 冯国彪, 邓宏. 锂离子电池正极材料磷酸铁锂研究进展[J]. 无机盐工业, 2011, 43: 14-17.

[2] WHITTINGHAM M S. Lithium batteries and cathode materials [J]. Chemical Reviews, 2004, 35: 4271-4301.

[3] KAUN T D, NELSON P A, REDEY L, et al. High temperature lithium/ sulfide batteries [J]. Electrochimica Acta, 1993, 38: 1269-1287.

[4] MURPHY D W, BROADHEAD J, STEELE B C H. Materials for advanced batteries [M]. New York: Plenum Press, 1980.

[5] MIZUSHIMA K, JONES P C, WISEMAN P J, et al. LixCoO2(0＜x＜1): a new cathode material for batteries of high energy density [J]. Materials Research Bulletin, 1980, 15: 783-789.

[6] OZAWA K. Lithium-ion rechargeable batteries with LiCoO2and carbon electrodes: the LiCoO2/C system [J]. Solid State Ionics, 1994, 69: 212-221.

[7] PADHI A K, GOODENOUGH J B, NANJUNDASWAMY K S. Phospho-olivines as positive-electrode materials for rechargeable lithium batteries [J]. Journal of the Electrochemical Society, 1997, 144: 1188-1194.

[8] 程新群. 化学电源[M]. 北京: 化学工业出版社, 2008.

[9] 吴宇平, 万春荣. 锂离子二次电池[M]. 北京: 化学工业出版社材料科学与工程出版中心, 2002.

[10] 胡东阁. 高性能锂离子电池正极材料镍钴锰酸锂的工业化探索[M].上海: 复旦大学出版社, 2012.

[11] 何希兵, 其鲁, 王银杰, 等. 锂离子二次电池正极材料镍酸锂的量子化学研究[J]. 无机化学学报, 2003, 19: 807-812.

[12] LIU J, QIU W, YU L, et al. Synthesis and electrochemical characterization of layered Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2cathode materials by low‐temperature solid‐state reaction [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2008, 449: 326-330.

[13] ZHENG J C, HAN Y D, SUN D, et al. In situ-formed LiVOPO4@V2O5core-shell nanospheres as a cathode material for lithium-ion cells [J]. Energy Storage Materials, 2017, 7: 48-55.

[14] ZHENG J C, HAN Y D, TANG L B, et al. Investigation of phase structure change and electrochemical performance in LiVP2O7-Li3V2(PO4)3-LiVPO4F system [J]. Electrochimica Acta, 2016, 198: 195-202.

[15] ZHENG J C, HAN Y D, ZHANG B, et al. Comparative investigation of phosphate-based composite cathode materials for lithium-ion batteries [J]. ACS Appl Mater Interfaces, 2014, 6: 13520-13526.

[16] GAO J, KIM J, MANTHIRAM A. High capacity Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2–V2O5composite cathodes with low irreversible capacity loss for lithium ion batteries [J]. Electrochemistry Communications, 2009, 11: 84-86.

[17] KIM J H, PARK C W, SUN Y K, et al. Synthesis and electrochemical behavior of Li[Li0.1Ni0.35 x/2CoxMn0.55 x/2]O2cathode materials [J]. Solid State Ionics, 2003, 164 : 43-49.

[18] ZOU L, KANG F, ZHENG Y P, et al. Modified natural flake graphite with high cycle performance as anode material in lithium ion batteries [J]. Electrochimica Acta, 2009, 54: 3930-3934.

[19] 黄可龙, 王兆翔, 刘素琴. 锂离子电池原理与关键技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2008.

[20] 高阳, 谢晓华, 解晶莹, 等. 锂离子蓄电池电解液研究进展[J]. 电源技术, 2003, 27: 479-483.

[21] 李强, 钟光祥. 锂离子电池及其电解液[J]. 浙江化工, 2002, 33: 11-12.

[22] 沙顺萍, 滕祥国, 李世友, 等. 锂离子电池电解质材料研究进展[J].盐湖研究, 2005, 13: 67-72.

[23] 吴娇杨, 刘品, 胡勇胜, 等. 锂离子电池和金属锂离子电池的能量密度计算[J]. 储能科学与技术, 2016, 5: 443-453.

(编辑：温文)

全球首次发现双粲重子

欧洲核子研究中心2017年7月6日宣布，经多国科学家共同努力，在世界上首次发现了一种被称为双粲重子的新粒子，这将有助于人类深入理解物质的构成和强相互作用的本质。中国团队对这一发现功不可没。

在现代粒子物理学的标准模型理论中，夸克是基本粒子，而重子是由3个夸克组成的复合粒子。几乎所有物质都由重子组成，其中最广为人知的就是组成物质原子核的质子和中子。

夸克有6种，分别称为上、下、奇、粲、顶和底夸克，上、下夸克质量最小，奇、粲、顶、底夸克质量较大。质量大的夸克只能经由高能粒子的碰撞产生，如宇宙射线或粒子加速器，然后会通过粒子衰变迅速变成上夸克或下夸克。理论上不同类型的夸克相互组合可以形成不同的重子，但此前已发现的重子最多只包含一个质量较大的夸克，此次是实验中首次发现含两个重夸克的重子。

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这一最新发现来自欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)上的底夸克探测器(LHCb)合作组。据介绍，这种双粲重子含有两个质量较大的粲夸克和一个上夸克，质量约3 621兆电子伏，几乎是质子质量的4倍，理论预期其内部结构迥异于普通重子。相关研究论文已提交至美国《物理评论快报》。

虽然现有理论对双粲重子早有预测，但真正发现这种含有两个重夸克的重子，仍然耗费了物理学家多年时间。

“发现这种双粲重子意义重大，这将为进一步探索用于描述夸克之间强相互作用的量子色动力学提供一个独特的工具。”LHCb合作组发言人、意大利国家核物理研究院科学家乔瓦尼·帕萨莱瓦教授评价说。

帕萨莱瓦同时表示，底夸克探测器合作组的中国科学家对该粒子的发现作出了“关键性贡献”。他说，中国粒子物理理论家推动该分析向着正确的方向发展，并为最终取得研究成果提供了关键性建议。

底夸克探测器是欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的粒子物理实验装置之一，专门研究重夸克粒子的产生和衰变。LHCb合作组有来自16个国家、72个机构的1 185名成员。其中，中国组由清华大学、华中师范大学、中国科学院大学和武汉大学的研究人员组成，在强子性质和电荷宇称对称性破缺等方面研究中成绩斐然。中国组自2010年开始寻找双粲重子，其发现进一步提升了中国组在国际大科学合作中的地位。

[关毅 编译]

The present situation and expectation of lithium-ion battery

WANG Pengbo, ZHENG Junchao
College of Metallurgy and Environment, Central South University, Changsha 410083, China

Lithium-ion battery (LIB) has the advantages of high capacity, no memory effect, high working voltage, and long life. This paper reviews LIB’s development history, working principle, characteristics and components. The current technical challenges of LIB are analyzed, and the future development and perspectives pf LIB are also discussed.

lithium-ion battery, cathode material, anode material, electrolyte

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.04.006

†通信作者，E-mail: jczheng@csu.edu.cn