锂二次电池的介绍与展望

锂电池的简介与展望

锂电池的产生源于人们对金属锂的发现与应用，锂元素是所有元素中标准电位最低（25℃标准电位为-3.04V vs.SHE）、密度最小（0.534g/cm3）、电化学当量最低（0.26g·A/h）、理论比容量最高（3861mA·h/g）的金属元素。因而，金属锂具有非常高的能量密度，以金属锂为负极的电池具有很高的能量密度和工作电压。

为电极，通过氧化还原反最早的锂一次电池是爱迪生发现的，以Li和MnO

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应实现电池放电。但由于锂的化学性质非常活波，使得金属锂的加工、保存和使用对环境的要求非常高，所以长期以来锂电池没有得到应用。20世纪年代末，石油危机迫使人们去寻找新的替代能源，同时军事、航天、医药等领域也对电源提出新的要求。金属锂优秀的特性，使它顺理成章的进入了电池设计者的视野。之后，经过各国科学家的不断发展，各种商品化锂一次电池相继出现。

锂一次电池的成功研发和应用激起了二次电池的研究热潮，学术界的研究开始集中在“如何使该电池反应变得可逆”。1980年Armand提出了“摇椅式电池概念”（RCB）。1991年，多个电池制造商都推出了与RCB概念对应的电池产品。锂二次电池进入了高速发展的时代。

电池的发展已经有180多年的历史，从铅-酸电池、镍-镉电池发展到镍-氢电池和锂离子二次电池，电池的能量密度和功率密度不断提高。目前，锂离子电池的能量密度已达到铅-酸电池的5-8倍，在便携式电子设备、电动汽车、航天航空与军事等各个领域得到了广泛应用。从目前的发展来看，锂二次电池还将持续主导高效电能储存市场。

但无论是在以上哪个领域，锂离子最好能实现快速充电，这样，工作效率才会更高。当前，各国科学家都在积极研究锂离子电池快速充电的方法，最近，以色列特拉维夫的起步公司StoreDot Ltd.发布了一款充电器原型，能够将手机电池在30秒内从接近没电到完全充满。虽然类似的报道还有很多，但是闪充终究没能大规模应用。因为在对其进行快速充电时，锂离子电池会产生大量的热量甚至是着火爆炸。经过查阅相关资料，归纳出制约锂离子电池热安全性因素主要如下。

1. SEI 膜的分解反应本来 SEI膜在锂离子电池中是起一定保护作用的膜，他可以一定程度上的不让电池体系内部发生一些不利于电池正常运作的反应，但是其是亚稳态的，在较高温度下会发生分解反应并放出热量。

2. 电解液与嵌入锂的反应在一定温度下，由于 SEI膜的分解，使其不能起到阻隔电解液与负极接触，这种情况下，电解液就与嵌入到负极中的锂发生反应并放出热量。

3. 电解液的分解当电池内部温度高于 200℃时，电解液将发生分解并放出热量。

4. 锂与电解液的反应电池在过充电的情况下会有金属锂产生，此时，电解液与金属锂会发生反应并产生热量。

锂离子电池的应用指标主要包括能量密度、功率密度、循环性、安全性等。目前的单一电池体系还无法同时将所有指标做到最高。因此，针对不同的需求，研究对性能指标侧重点不同的锂离子电池，是未来的发展趋势。具体而言，锂离子电池正朝着五个方向发展。

1．高能量密度电源主要应用在无线通信办公产品和数字娱乐产品上。对于该类电池而言，提高电池的能量密度是关键。目前锂离子电池的能量密度是150-200W·h/kg，期望的电池能量密度高于200W·h/kg。此类电池，100%充放电深度下期望电池的循环性在300-1000次，功率密度在200-1000W/kg即可。由于电池的功率密度较低，对安全、工作温度范围和价格的要求不是很苛刻。

2．高功率动力电源主要应用在交通运输工具、无绳电动工具及其他大功率器件上。对于该类电池而言，电池的功率密度特性更重要。目前锂离子电池的功率密度可以达到800-1500W/kg，今后发展的目标为2000-10000W/kg。随着混合动力和电动汽车的普及，对高功率电池的需求十分迫切。如果上述目标能够实现，将可以在各类应用中取代目前的铅酸电池、镍镉电池、超级电容器等，以提高能量的利用效率，减小对环境的压力。此类电池应用时的环境多种多样，开发电池时必须满足对安全性、温度特性、价格、自放电率等方面较高的要求。

3．长寿命储能电池主要应用于如后备电源，电站电网调峰用电源，与太阳能电池、燃料电池、风力发电配套的分散式独立电源体系中的储能电池。这些方面的应用希望电池的使用寿命达到10-20年，免维护，性能稳定，价格低廉。对电池的体积和重量没有严格的要求，但对电池的循环寿命、温度特性和自放电率有较高的要求。目前，此类锂离子电池仍处于实验室研发阶段。

4．微小型锂离子电池主要利用在如无线传感器、微型无人机、植入式医疗装置、智能芯片、微型机器人等纳、微电子器件上。此类电池，根据应用的不同，对电池性能指标的要求可能不一样。由于维护困难，对稳定性、寿命有很苛刻的要求。利用目前的微加工技术，实现锂离子电池的微型化，将不会太遥远。

5．高能量密度、高功率密度锂离子电池主要利用在以二次电池为唯一能源的电动汽车、电动自行车等交通工具、无人机、数字化士兵系统电源、高度集成的多媒体信息处理系统电源等上。实际上，人们对既能保持高的能量密度，又能拥有高的功率密度以及好的循环性的二次电池十分渴望。这对于理离子电池而言，意味着电极材料既要能容纳大量的锂离子，又能允许锂离子高速嵌入脱出，并能保持结构稳定性。这些应用对材料的开发提出了很高的要求。

为了人类社会的可持续发展，有可能作为高效电能存储基本单元的锂二次电池的研究开发将会持续不断的深入，相应的工业体系将不断发展壮大，锂离子电池的性能水平也会达到一个崭新的阶段。同时，随着电动交通。能源网格化以及智能社会的推进，锂离子电池的应用前景一片光明！