动力锂电池的研发现状

第３８卷２００８正第５期ｌＯ月电池ＢＡＴＴＥＲＹＢＩＭＯＮＴＨＬＹＶ０１．３８，ＮＯ．５Ｏｃｔ．，２００８・学术动态・动力锂电池的研发现状——第一届动力锂电池国际会议评述陈宗海，秦燕（阿贡国家实验室化学与工程部，伊利诺伊州阿贡６０４３９，美国）摘要：简介了２００８年９月１４—１７日在美国阿贡国家实验室举行的第一届国际动力锂电池会议的学术发展情况。

当前各国政府、汽车制造厂商、电池公司和化学试剂公司投入大量的人力、物力开发高性能动力锂离子电池。

目前已有ＬｉＮｉｏ．ｓＣｏｏ．１５仙．０５０２／Ｃ、ＬｉＦｅＰ０４／Ｃ、ＬｉＭｎ２０４／Ｃ和ＬｉＭｎ２０４／Ｌｉ，ＴｉｓＯｌ２等多个体系的锂离子电池的技术指标接近或已达到电油混合电动汽车的要求。

开发４．６Ｖ或以上的高电压、高容量锂离子电池电极材料以及相应的电解液将会是今后长期的研究热点。

关键词：第一届动力锂电池国际会议；锂离子电池；混合电动车；电极材料；电解液中图分类号：ＴＭ９１２．９文献标识码：Ａ文章编号：１００１—１５７９（２００８）０５—０２９３—０４Ｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｑｕｏｏｆａｄｖａｎｃｅｄｌｉｔｈｉｕｍｂａｔｔｅｒｉｅｓｆｏｒａｕｔｏｍｏｂｉｌｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ——ＲｅｐｏｒｔｏｎｔｈｅＦｉｒｓｔＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＡｄｖａｎｃｅｄＬｉｔｈｉｕｍＢａｔｔｅｒｉｅｓｆｏｒＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＣＨＥＮＺｏｎｇ—ｈａｉ，ＱＩＮＹａｎ（ＣｈｅｍｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｉｖｉｓｉｏｎ，ＡｒｇｏｎｎｅＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＡｒｇＤ，ｌ，培，Ｉｌｌｉｎｏｉｓ６０４３９，ＵＳＡ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｒｅｃｅｎｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｏｆＬｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｒｅｐｏｒｔｅｄｉｎｔｈｅＦｉｒｓｔＩｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＯｎＡｄｖａｎｃｅｄＬｉｔｈｉｕｍＢａｔｔｅｒｉｅｓｆｏｒＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｗｈｉｃｈＷＡ．ｅｈｅｌｄｏｎＳｏｐ．１４—１７，２００８ａｔＡｒｇｏｎｎｅＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＵＳＡｗｅｒｅｂｒｉｅｆｌｙｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．ＩｔｈａｓｂｅｅｎａｗｏｒｌｄｗｉｄｅｊｏｉｎｔｅｆｆｏｒｔｔｏｄｅｖｅｌｏｐａｄｖａｎｃｅｄｈｉｇｈｐｏｗｅｒＬｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｉｅｓｔｏｐｏｗｅｒｈｙｂｒｉｄｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｄｅｓ（ＨＥＶ）ａｎｄｐｌｕｇ－ｉｎＨＥＶ（ＰＨＥＶ）．Ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ，ｔｈｅｒｅａｒｅｓｅｖｅｒａｌＬｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙｓｙｓｔｅｍｓ，ｓｕｃｈａｓＬｉＮｉｏ．ｓＣｏｏ．１５仙．０５０２／Ｃ，ＬｉＦｅＰ０４／Ｃ，ＬｉＭｎ２０４／ＣａｎｄＬｉＭｎ２０４／Ｌｉ４ＴｉｓＯｌ２ｗｈｏｓｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｈａｖｅｂｅｅｎｃｌｏｓｅｏｒｍｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒＨＥＶａｎｄｓｈｏｒｔｒａｎｇｅＰＨＥ、，．Ｉｔｗｉｌｌｂｅａｌｏｎｇｔｅｒｍｍａｊｏｒｅｆｆｏｒｔｔｏｄｅｖｅｌｏｐｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅ（４．６Ｖｏｒｈｉｇｈｅｒ），ｈｉｇｈｃａｐａｃｉｔｙｂａｔｔｅｒｙｅｌｅｃｔｒｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｓｗｅｌｌｉｌｌｓｒｅｌａｔｅｄｎｏｎ－ａｑｕｅｏｕｓｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｓ，ｆｏｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｌｏｎｇｒａｎｇｅＰＨＥＶｏｒＥＶ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦｉｒｓｔＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＯｎＡｄｖａｎｃｅｄＬｉｔｈｉｕｍＢａｔｔｅｒｉｅｓｆｏｒＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ；Ｌｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｉｅｓ；ｈｙｂｒｉｄｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅＨｃｌｅ；ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌ；ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ环境污染和能源危机已引起世界各国的广泛关注。

目前，汽车大约消耗原油产量的４５％，并释放出大量的温室效应气体ｃ０２；汽车尾气中还含有其他污染气体如Ｓ０２和ＮＯ。

开发电动汽车（ＥＶ），已成为世界各国共同认可的急切任务，很多汽车制造厂商、电池制造厂商、化学试剂公司和各国的政府部门已投入大量资金和人力，加速ＥＶ的研发。

在现有实用的电池中，锂离子电池的容量密度和能量密度较高，被公认为最有希望的动力电池；但锂离子电池本身还存在一些技术瓶颈，使其在汽车中的广泛使用受到限制。

这些技术瓶颈包括：成本高、寿命有限（一般要求１０—１５ａ）、低温（一２０．一３０℃）性能不好和电池本身的安全隐患。

表ｌ列举了美国能源部采纳的混合电动汽车（ＨＥＶ）电池的技术指标…。

为了增进国际锂电池界的合作与交流，美国、日本和韩国科学家联合组织了国际动力锂电池学术会议。

第一届会议于２００８年９月１４一１７日在美国阿贡国家实验室举行，由作者简介：陈宗海（１９７４一），男，美国阿贡国家实验室化学与工程部助理研究员，研究方向：锂离子电池及材料，本文联系人；秦燕，女，美国阿贡国家实验室化学与工程部博士后，博士，研究方向：锂离子电池及材料。

电池ＢＡＴＴＥＲＹＢＩＭＯＮＴＨＬＹ第３８卷表ｌ美国能源部设定的混合电动汽车电池的技术指标Ｔａｂｌｅ１ＢａｔｔｅｒｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｈｙｂｒｉｄｄｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓａｄｏｐｔｅｄｂｙＵＳＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｅｒｇｙ美国阿贡国家实验室的Ｋ．Ａｍｉｎｅ博士和美国能源部的Ｔ．Ｄｕｏｎｇ先生共同主持。

参加本次会议的有约３５０位科学家与电池工作者和约５０位媒体和投资银行的工作人员。

第一届动力锂电池国际会议共收到论文１１２篇，其中大会会议报告５６篇，其余的均为墙报交流［２】２。

美国、中国、韩国、日本和欧盟等都有政府部门的代表综述了各自在这个领域的投资及研究进展。

天津电源研究所的汪继强和清华大学的何向明均应邀参加了这次会议。

汪继强的大会报告综述了中国政府在动力锂离子电池方面的研发投入及政策，尤其是关于在２００８奥运会其问投入运行的电动汽车的讨论，引起了与会研究人员的热烈响应。

表２列举了会议论文的粗略分类，其中，有５篇论文介绍了相关政府的资金投入和研究进展；有１６篇论文介绍了各公司的研发进展及相关产品。

本次会议的其他主题包括电极材料、电解液、电池的安全性、电池的测试诊断和电池系统的模拟。

表２第一届动力锂电池国际会议论文分类统计Ｔａｂｌｅ２ＴｈｅｓｔａｔｉｓｔｉｃｓｏｆａｂｓｔｒａｃｔｓｆｏｒｔｈｅＦｉｒｓｔＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＯｉｌＡｄｖａｎｃｅｄＬｉｔｈｉｕｍＢａｔｔｅｒｉｅｓｆｏｒＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ表２中的论文数总和超过实际论文总数，是因为有些论文涉及了多种材料，被重复计算，如有些论文在讨论正极材料的同时，也研究了负极材料的影响。

１锂离子电池本次会议的重点是ＨＥＶ用高性能动力锂离子电池。

目前采用的主要体系包括ＬｉＦｅＰ０４／芒ｉ＂墨、尖晶石ＬｉＭｎ２０４／石墨、尖晶石ＬｉＭｎ２０４／尖晶石Ｌｉ４ＴｉｓＯｌ２和ＬｉＮｉｏ．８Ｃｏｏ．１５Ａ１０．０５／石墨等。

已有很多公司和科研机构把研究重点指向开发远程ｐｈｇ－ｉｎＨＥＶ（ＰＨＥＶ），比如说，开发一个高能量密度的锂离子电池，每充一次电可以提供足够的能量，让汽车在纯电动模式下行驶６４ｋｍ。

在这种情况下，电池的能量密度就成为主要的瓶颈。

目前的锂离子电池技术尚不能满足这一要求，因此开发高电位、高容量密度的电极材料，将成为近期及今后的研究热点，与此同时，研究相关的高电位电解液也应得到相应的重视。

１．１ＬｉＦｅＰＯ，体系ＬｉＦｅＰ０４具有无毒性、低成本、高安全性和长循环寿命等优点，成为动力锂离子电池研发的重点体系［Ｔ２，Ｔ１５，Ｔ２２，Ｔ３８一Ｔ４０，Ｐ９，Ｐ１５，Ｐ５６，本次会议摘要编号，前缀Ｔ表示会议报告，前缀Ｐ表示墙报，下同］。

在ＬｉＦｅＰ０４的研发方面，参与的机构主要有天津力神电池股份有限公司、深圳比克电池有限公司、美国的Ａ１２３ｓｙｒｓｔｅｍ８公司、加拿大的Ｐｈｏｓｔｅｃｈ公司、韩国的ＥＩＧ有限公司、日本的ＭｉｔｓｕｉＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆ＳｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．、美国麻省理工学院和日本东京理工学院等。

ＬｉＦｅＰ０４的低导电率仍然是目前的研究热点。

影响ＬｉＦｅＰ０４电化学性质的因素有颗粒大小［Ｔ１５］、化学缺陷［Ｔ１５］、表面化学性质［Ｔ２２］、表面涂层（尤其是碳涂层）［Ｔ４０，ＩＸ），Ｐ１５］和化学掺杂［Ｐ５６］等。

在高温（≥４０℃）下，ＬｉＦｅＰ０４会被非水电解液腐蚀【３】，主要机理是电解液中的ＬｉＰＦ６会与电解液中的微量水发生水解反应，产生酸性的ＨＦ；进而把ＦＪ＋从正极材料中溶解出来。

虽然腐蚀造成的正极材料的损失可以忽略不计，但是在电解液中的微量Ｆｅ２＋会在负极被还原，形成纳米Ｆｅ颗粒，沉积在负极表面，毒害负极的电化学性能。

降低ＬｉＦｅＰＯ，的腐蚀程度，可提高使用ＬｉＦｅＰ０４的电池的寿命。

中国台湾省大同大学的ｓ．Ｈ．ｗｕ等报导：在ＬｉＦｅＰ０４中掺杂少量的ＡＰ＋可有效地降低Ｆｅ２＋在电解液中的浓度［Ｐ５６３。

日本的ＭｉｔｓｕｉＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｓｈ／ｐｂｕｉｌｄｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．报第５期陈宗海，等：动力锂电池的研发现状——第一届动力锂电池国际会议评述２９５导了他们在碳涂层的ＬｉＦｅＰ０４纳米体系的研究进展［Ｔ４０］，他们的材料可能在２００９年进入市场。

他们报导的材料有１６０ｍａｌｔ／异的可逆比容量，即使在１５Ｃ的充放电条件下也有１２５ｍＡｈ／焉的放电比容量。

用该材料与碳做成的锂离子电池，在２０℃下以５ｃ连续充放电８０００次后，还保持７６％的可逆容量。

韩国ＥＩＧ有限公司开发的、基于碳涂层的ＬｉＦｅＰ０４的１５Ａｈ锂离子电池，功率密度可以达到２．５ｋＷｈ／ｋｇ，在２５℃下循环ｌ６００次后，还保持９０％的可逆容量［Ｔ３８］。

１．２尖晶石“Ｍｎ２０４体系尖晶石ＬｉＭｎ２０４是另外一种重点研究的正极材料。

尖晶石结构提供了三维“＋扩散通道，因此ＬｉＭｎ２．０４可承受大电流（＞１０Ｃ）快速充放电。

与目前大量使用的ＬｉＣ００２相比，ＬｉＭｎ２０４还具有无毒性、高热稳定性和安全等优点，因此也是开发大功率动力电池的主要对象。

韩国的ＳＫＥｎｅｒｇｖ公司开发的一系列基于ＬｉＭｎ２０。

的动力锂离子电池，功率密度可达６ｋＷｈ／ｋｇ，能量密度均高于１００Ｗｈ／ｋｇ［Ｔ８］。

ＴｒｏｎｏｘＬＬＣ报导用铬（ｃｒ）取代部分锰，可提高ＬｉＭｎ２０４正极材料的电化学性能［Ｐ５２］。

中国也把开发ＬｉＭｎ２０４和ＬｉＦｅＰ０４体系的动力锂离子电池纳入了“十一五”规划［Ｔ２］。

１．３尖晶石ＬｈＴｉ５０】２体系锂在碳材料（尤其是石墨）中的化学势非常接近于金属锂的化学势，使用碳负极材料可尽可能地提高锂离子电池的工作电压和能量密度，因此，在目前的锂离子电池中，绝大多数电池使用碳负极。