解析锂离子电池的研究与现状

　　锂离子电池与锂电池都是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池。

　　锂离子电池和传统的蓄电池比较起来，不但能量更高，放电能力更强，循环寿命更长，而且其储能效率能够超过90%,以上特点决定了锂离子电池在电动汽车、存储电源等方面极具发展前景。本文对对锂离子电池的正极材料、负极材料、电解液等方面的研究现状进行探讨。

　　锂离子电池能够大规模地运用于电动汽车产业，并用于太阳能与风能等清洁能源的保存。因此，如今锂离子电池技术已经成为研究人员及企业高度关注的重要课题。锂离子电池凭借其极高的能量密度、较长循环的寿命、快速充电与放电等诸多方面的优势以及不断降低的生产制作成本，已经成为今后十至二十年中电动汽车的首选电池。为此，笔者对锂离子电池的研究现状开展了研究。

　　1  正极材料研究现状

　　锂离子电池的正极材料将直接影响到锂电池所具有的能量密度性能、比功率特点、温度特点和安全特点等等。在当前的市场化锂离子电池中，其正极材料主要包括了licoo2、lini1/3co1/3mn1/3o2、lixmn2o4等lifepo4等四种。第一种是licoo2,这是第一代市场化锂离子电池正极材料，具备了一些优势，如比能量相对而言比较高，循环性能以及高、低温状态下的工作性能较好，与之相对应的锂离子电池产品一般用在各类小型电子设备。然而，因为使用这一材料的电池在安全性和耐过充性上相对较差，再加上co资源较为稀缺，其价格十分昂贵，由此而无法成为大容量车用与储能锂电池正极上使用的材料。第二种是lini1/3co1/3mn1/3o2,这是一种具有了高容量的三元类材料，其可逆比容量能够达到160mah/g之上，是一种十分有前途的正极材料。这一材料和电解液之间的相容性比较好，循环性能十分好，能够应用于手机电池和动力电池等很多产品之中。因为三元材料会鉴于ni、co、mn等三种元素的比例变化而具有不一样的性能，可见，这类材料能够产生出大量的正极材料，从而满足于各类产品之需求。第三种是lixmn2o4,这是一种成本更加低的材料，其热稳定性与抗过充电性均超过了licoo2与lini1/3co1/3mn1/3o2,其三维隧道结构要比层间化合物更加有利于li+的嵌入与脱出，主要应用在高功率动力电池上。然而，其相对较低的110mah/g的比容量以及较差的300次循环性能，尤其是高温循环性之差导致其运用具有非常大的限制。第四种是lifepo4.这是一种磷酸盐聚阴离子化合物，也是近年来较快地发展起来的正极材料之一，具备了比较高的安全性，其耐高温性相当好，循环性能也具有优势，从而使其在动力电池与备用电源领域具有十分广阔的实际运用前景。然而，同时其也存在着电压平台比较低、电导率较低以及低温的放电性与倍率放电差等特点。综合考虑正极材料的未来发展前景，磷酸铁锂材料中所存在的一系列问题必将得到合理的解决，学者们与企业所一致看好的lifepo4能够在车用电池领域当中具备较好的发展前景。

　　2  负极材料研究现状

　　当前，对于锂电池负极材料的研究主要集中于碳材料、合金材料钛酸锂以及过渡金属氧化物等等。其中，碳材料是研究者最早投入研究并用在锂电池生产中的负极材料。依据负极材料的结构特性，一般分为三类：石墨，易石墨化碳即软碳，难石墨化碳，即硬碳。因为软碳和石墨所具有的结晶性能较为类似，一般均觉得其比硬碳更为容易插入锂之中，也就是更为容易进行充电，其安全性自然也就更加好。石墨类材料的技术相对来说较为成熟。常规锂电池负极材料主要有天然石墨、天然石墨改性材料、中间相炭微球以及石油焦类人造石墨等，其中中间相炭微球的结构较为特殊，呈现出球形的片层结构，而且表面上较为光滑，其直径介于5m~40m之间，这一材料所具有独特的形貌导致其在比容电量（能够达到330mah/g之上）、安全性能、放电效能及循环寿命（循环次数在2000次之上）等诸多方面具备了明显的优势，然而其成本有待于进一步降低。当前，硬碳材料因为具有首效较低、压实的密度较低、工艺上不够成熟等大量问题，所以尚未进入到大规模的商品化之中，而国内对这一领域尚处在试验阶段之中，有关的文献报道非常少。除了上述碳类负极材料之外，其他的负极材料包括了锡基复合氧化物、碳硅复合材料以及钛酸锂等，其中的钛酸锂是目前重要的研究热点。这种材料是一种嵌入式的化合物，呈现出尖晶石结构，还可嵌入li+.目前，电极理论嵌锂容量的大小是175mah/g.在作为锂动力电池负极材料之时，钛酸锂具备了十分显著的有利条件，不仅循环寿命非常长，而且钛酸锂的体积变化十分小，被称之为零应变材料。钛酸锂与电解液间在界面上不会出现sei膜，而且内阻并不会有增加，其安全性能十分优异，电压平台在1.5v左右，不容易导致金属锂的析出。电压的平台较为稳定，具备了极好的耐过充性能以及耐过放性能。然而，钛酸锂电极电位相对而言比较高，其压实密度与重量比能量相对而言比较低，导致导电性差与大倍率性能需要进一步提升，而产品的一致性与电池的加工性能相对而言也比较差，从而限制了钛酸锂更加广泛的市场化运用。

　　3  电解液研究现状

　　电解质的作用是在正、负极之间输送与传导锂离子。当前，电解液的溶剂包括了碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯以及碳酸甲乙酯等五类。当前，动力电池一般是以lipf6为电解质盐的，并由碳酸乙烯酯与直链碳酸酯共同构成的混合溶剂作为电解液。然而，因为lipf6的热稳定性与化学稳定性相对比较差，对于怎么进一步提升动力与储能电池安全性能、循环性能等方面具有无法忽视的负面影响。所以，要不断研究新型电解质锂盐、功能添加剂的作用，这已成为这些年来锂电池电解液研究的重要方向，因此，二草酸硼锂在锂离子电池当中的运用已经引起了研究者更大的关注。用这种盐所配制而成的电解液具有抗过充与阻燃等作用，所形成的sei膜十分稳定。limn2o4在libob电解液当中的分解热只达到60j/g,而lifepo4则更低，大概是6~8j/g,如此一来，就能极大地提升动力电池的安全性。因此，把libob视为添加剂加以运用，和lipf6进行混合使用，能够极大地提升动力电池所具有的高温循环作用。

　　4  结语

　　当前，中国已将新能源汽车业列为今后一个时期大力发展的战略性新兴产业之一，这就为锂离子电池打开了更为广阔的市场空间。同时，在电动自行车领域、航天领域、军事领域之中，锂离子电池也具有非常好的发展前景。笔者坚信，随着锂离子电池技术的进一步发展，锂离子电池所具有的性能必然会愈来愈高，其应用价值也会越来越大，并朝着高能量密度化、高功率化、大型化等趋势继续发展。

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