锂离子电池发展综述

锂离子电池的研究及发展现状

张求华

（吉首大学化学化工学院，416000）

摘要：综述了电极材料、电解质和隔膜研究及发展现状,其为电池重要的组成部分，直接影响电池的性能。

电池所用材料方面的研究推动着锂离子电池性能的不断提高和完善。主要分析了近年来锂离子电池材料技术动向和应用，以及对锂离子电池的未来发展趋势进行了展望。

关键词：锂离子电池；正极材料；负极材料；电解质和隔膜

Research and Development status of Lithium-ion Batteries

Zhang qiuhua

(College of chemistry and chemical engineering,jishou university,416000)

Abstract: In this paper, the research and development status of electrode materials, electrolyte and separator are summarized, which are important parts of lithium-ion batteries, which can influence the performance of battery directly. The study on electrode materials propels the improvement of lithium-ion batteries, performance. The technology trend and application of materials used in lithium -ion battery in recent years was focused in this paper and the prospect of development trend of lithium ion batteries in the future w as proposed.

Key words: lithium ion batteries; cathode materials; anode materials; electrolyte and separator 引言

由于锂离子电池具有高电压、高容量的重要优点，且循环寿命长、安全性能好，使其在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广阔的应用前景，成为近几年广为关注的研究热点。本文对锂离子电池的研究现状进行了综述，最后对锂离子电池未来的发展进行了展望。

1锂离子电池工作原理

锂离子电池( Lithium - Ion Battery, LIB)又称锂电池，是指以2种不同的能够可逆脱出和嵌入锂离子的化合物分别作为电池的正极和负极的二次电池体系[1]。锂离子电池正负极材料均采用锂离子可以自由脱出和嵌入的具有层状或隧道结构的锂离子嵌入化合物。在充电，正极材料中的锂离子脱离正极穿过隔膜向负极方向迁移,并最终嵌入负极材料中；在放电时，负极材料中的锂离子从负极脱出并穿过隔膜向正极方向迁移并嵌入正极材料中。这样，在充放电过程中，锂离子在正负极间“摇来摇去”，而无金属锂析出。因此锂离子电池被称作“摇椅电池”( Rocking Chair Battery ) 或“摇摆电池”( Swing Battery)[ 2]。

以具有石墨化结构的碳为负极，氧化钴锂为正极的锂离子电池为例，充电时其电极反应如下

：

正极反应：LiCoO2 →Li1- xCoO2+ xLi+ + xe-

负极反应：6C+ xLi+ + xe-→Li x C6

总的反应：LiCoO2+ 6C →Li1- x CoO2 + Li x C6

放电时上述反应逆向进行。

2锂离子电池结构

锂离子电池基本结构一般包括正极、负极、能传导锂离子的电解质及把正负极隔开的隔膜。

2.1正极材料

锂离子正极材料直接影响锂离子动力电池的能量密度特性、比功率特性、温度特性以及安全特性。目前商业化的锂离子正极材料主要有LiCoO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LixMn2O4、LiFePO4[3]。

LiCoO2作为第一代商品化的锂离子正极材料具有许多优点：比能量相对较高，循环性能好，高低温工作性能好，其对应的电池产品主要应用于各种小型电子设备。但由于采用该材料的电池安全性与耐过充性差，加之Co的资源稀缺，价格高，所以难以成为大容量车用和储能锂离子电池正极材料。

LiN i1/3Co1/3Mn1/3O2是一种高容量的三元材料，可逆比容量可以达到160mAh/g以上，是非常有前途的正极材料。此材料与电解液的相容性好，循环性能优异，可用于手机电池、动力电池等多种领域。由于三元材料随着Ni，Co，Mn三种元素比例的变化显示出不同的性能，所以该类材料可以衍生出多种正极材料如LiNi0.4Co0.2 Mn0.4O2等，可以满足不同产品的需求。

尖晶石型Li x Mn2O4成本更低，热稳定性和抗过充电性能高于LiCoO2和LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2具有三维隧道结构，比层间化合物更利于Li+的嵌入与脱出，适用于高功率动力电池[4]。但是其较低的比容量(110mAh/g)，较差的循环性能(300次)，特别是高温循环性差使得其应用受到了较大的限制。

LiFePO4等磷酸盐聚阴离子化合物是最近几年才快速发展起来的正极材料，其较高的安全性能，良好的耐高温性，优越的循环性能使得其作为动力电池和备用电源领域有广阔的应用前景。但是其也存一些缺点，电压平台较低(3.2V)，电导率低，低温放电性差，倍率放电差。但从正极材料的发展趋势看，磷酸铁锂材料的一些问题将逐步得到解决，研究者和商家一致看好LiFePO4在车用电池领域的发展前景。

2.2负极材料

目前，对锂离子电池负极材料研究较多的有：碳材料、合金材料（硅基材料、锡基材料等）、钛酸锂和过渡金属氧化物等[3]。

2.2.1碳材料

碳材料是人们最早开始研究并应用于锂离子电池生产的负极材料。根据其结构特性可分成3类：石墨、易石墨化碳（软碳）及难石墨化碳(硬碳)。由于软碳与石墨的结晶性比较类似，一般认为它比硬碳更容易插入锂，即更容易充电，安全性也更好些。

石墨类碳材料技术比较成熟，常规锂离子电池负极材料包括天然石墨、天然石墨改性材料、中间相炭微球和石油焦类人造石墨。中间相炭微球结构特殊，呈球形片层结构且表面光滑，直径在5-40mm之间该材料独特的形貌使其在比容电量(可达到330mAh/g以上)、安全性、放电效率、循环寿命(循环次数达到2000次以上)等方面具有显著优势，但是成本有待降低。

目前，硬碳材料由于存在首效低、压实密度低、工艺不成熟等问题，因此，还没有进入大规模商品化阶段，国内相关领域仍处于试验阶段，相关文献报道很少。

2.2.2其他负极材料

除了碳类负极材料，其他负极材料主要包括锡基复合氧化物、过渡金属氧化物、碳硅复合材料和钛酸锂等，其中钛酸锂是当前的研究热点之一。

钛酸锂负极材料是一种嵌入式化合物，尖晶石结构，可以嵌入Li+，电极的理论嵌锂容