锂电池

锂电池主要应用于手机、平板电脑、数码相机这些便携式电子设备。

在手机领域，现在几乎所有的锂电池都是使用聚合物电池，因为聚合物材料具有能量密度高（300 Wh/kg）、重量轻（只有钢的一半，而重量仅为其1/3）等优点，因此是最具发展前景的锂离子电芯材料之一。

随着全球范围内对便携电子设备需求的快速增长和动力电池技术的不断进步和成熟，未来锂电市场将保持较高的增长率。

在智能手机领域，主要是采用高能量密度、高安全性和高循环寿命的材料来实现电池系统成本的降低。

一、电池的组成

蓄电池是一种将电能储存起来，并能将电能转化为机械能或化学能，用以满足生产、生活和其他方面需要的装置。

蓄电池由正极（正极即电极）、负极（负极即负极）和电解质（一般是水或其他电解质）组成。

正负极材料有三种，一种是由金属锂（Li^+）和碳化物（C=C）组成的化合物；一种是由钴化合物组成的化合物，另一种是由锰化合物组成的化合物，在正负极材料中分别含有不同成分。

蓄电池用电解液：水+磷酸+硫酸；用电解质：水+氯化钠+醋酸锌+磷酸溶液。在这三种电解质中以磷酸盐溶液为主。

电池的功能：把化学能转化为电能，通常分为正、负极两类电池。

蓄电池一般用来做便携式电源，如手机、笔记本电脑等，同时也可以作为应急或备用电源等。

二、锂电池结构的设计及选择原则

在电池的设计过程中，对锂离子电池结构设计的研究一直是人们关注的焦点。

近年来，随着能源危机意识的增强和环境问题日益严重，锂离子电池凭借其环保、可充电等优点，在民用领域得到了越来越广泛的应用。

锂离子电池的基本组成为正极材料、负极材料和电解质溶液。

其中锂离子电池正极材料主要有：石墨、Li2CO3、C型正极；

负极材料主要为：三元正极和多元负极；

电解质溶液是指：水、电解质及电解液。

三、不同材料对锂电池性能的影响

锂离子电池中的电解液对锂电池性能有重要影响，其组成成分一般为有机溶剂、电解质溶液和锂盐。

电解液一般分为锂基和醇基两大类，其中锂基电解液主要包括：有机溶剂型聚合物。

锂离子电池中的电解液有很大一部分是醇基液体或油类物（如乙二醇），其中的主要成分是乙二醇。

锂离子电池的负极材料包括石墨、炭或碳材料等。

锂离子电池中所用电解质一般分为水溶液或有机溶剂，其中水溶液中常用的为有机溶剂，如氯苯、二氯甲烷等；而对这些溶剂进行筛选后得到合适的电解质则为水溶液。

电解液中最重要的电解质为水溶性电解质，如乙酸乙酯，乙腈等；但也有一些不溶性电解质，如丙酮、氯仿、乙醚等，其溶解度比较小，需要通过添加溶剂来降低粘度来增加其溶解度；而且对一些不溶性物质也会有一定的屏蔽作用；此外也可以通过添加一些固体锂盐达到降低电解液中水分含量的目的。

四、影响锂电池使用寿命的因素

锂电池使用寿命的影响因素很多，除了材料本身之外，还包括充电和放电过程中的各种反应过程和电池内部结构。

充电过程中正极材料不可逆地氧化成无定形碳；

负极放电过程中，由于锂枝晶的生长会引起电极结构的破坏；

电池长期存放时由于内部产生气泡导致电池性能衰减；

电池循环超过1000次后由于内部产生内阻导致充放电效率下降，并最终导致性能衰减。

除了充电过程中各种反应引起的结构变化外，还有一个因素也会影响电池的使用寿命，那就是老化。

老化又分为可逆和不可逆两种，锂电池都存在着一定的老化现象。

五、如何提高锂电池安全性能，防止热失控；

锂离子电池中，有一种物质叫做“SEI膜”，它是一层很薄的膜，它能有效地阻挡锂离子的移动，因此它可以作为一种保护性屏障，防止由于外部因素导致锂电池发生热失控现象。

SEI膜的作用主要是防止热失控，从而延长电池使用寿命。

目前 SEI膜的制造技术有很多种，最简单的是在电极中加入 SEI膜，使其与电解液隔离以达到隔绝效果。

另外还有一种方法是将 SEI膜浸入电解质溶液中形成电解质/电解液保护膜。

如果有必要可以将 SEI膜制成无隔膜结构，这样就可以保证电解质/电解液在锂离子电池内部不会发生混合状态；或者用聚合物电解液代替电解质溶液以降低锂离子电池的成本。

如果使用聚合物电解液的话，需要在正极材料中加入添加剂来提高电解液的渗透性，以防止隔膜与电极之间发生短路现象；同时还要对隔膜进行改性处理等。

六、如何提高锂电池能量密度和延长循环寿命；

为了提高锂电池的能量密度，提高活性物质的电导率和稳定性，研究者们通过优化不同的材料结构来实现。

1.在碳基负极方面，研究者将石墨纳米片（CNT）与氧化石墨烯复合可以提高负极的容量和稳定性。

2.在碳纳米管/石墨复合上，利用纳米管对石墨进行表面修饰可以增加电子传输效率，从而实现对锂离子电池的能量密度的提升。

3.为了实现锂离子电池与镍氢电池（镍氢、镍镉电池）之间可持续循环使用，研究者将镍离子嵌入碳基负极材料中。

4.在锂离子电池正极方面，通过对不同嵌锂状态下活性物质体积比稳定性的研究表明：当LiFePO4在石墨表面负载量为0.1 wt%时可以获得最高功率密度为120 mW/cm^3*；当LiFePO4负载量为1.0 wt%时其功率密度达到了最大值180 mW/cm^3*；当LiFePO4在 Li金属（Ni）表面负载量为0.1 wt%时功率密度达到了120mW/cm^3*。

七、结论及发展趋势

我国锂电池行业正处于快速发展阶段，国内锂电池的需求量呈现快速增长的趋势，但是目前国内产能却无法满足市场需求，在全球产业链的格局中，目前国内尚无一家能够形成大规模的产业集群。

因此从目前来看，我国锂电池行业虽然面临着诸多问题，但还是可以继续发展的。

在动力锂电池领域方面，我国锂电企业正在从过去生产动力锂电池逐步向生产动力锂电池转变。

动力锂电池方面，主要发展领域是车用及工业用两个领域。

在车载领域里主要是开发高性能车用型和工业用锂电型等产品。

而在家用锂电产品方面则开发了家用和商用两个方向，发展空间较大。

随着我国能源资源的短缺和环境保护的需要，汽车锂电池组正在向大功率、高容量、长寿命及轻量化等方向发展。