鉅大LARGE | 點擊量：3154次 | 2021年04月26日
鋰離子電池如何選擇，淺談鋰離子電池的八大參數(shù)指標
一、前言
這里所說的鋰離子電池特指可反復(fù)充電的二次鋰離子電池，而不是用完就扔的一次電池。
鋰離子電池分布在我們生活的每一個角落，其應(yīng)用領(lǐng)域包括手機、平板電腦、筆記本電腦、智能手表、移動電源(充電寶)、應(yīng)急電源、剃須刀、電動自行車、電動汽車、電動公交車、旅游觀光車、無人機，以及其他各類電動工具。作為電能的載體和眾多設(shè)備的動力來源，可以說，離開了鋰離子電池，當(dāng)今的物質(zhì)世界就玩不轉(zhuǎn)了(除非我們想倒退回幾十年前)。那么，鋰離子電池到底是什么鬼？
本文不科普電池的基本原理和發(fā)展歷史，有興趣的請百度查詢，這里頭有很多故事。物理學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論，被愛因斯坦之前的那一波人基本上搞得七七八八了，電池跟這兩個領(lǐng)域直接相關(guān)，與電池有關(guān)的理論，在二戰(zhàn)之前就已經(jīng)研究的差不多了，二戰(zhàn)以后并無大的創(chuàng)新。作為電池技術(shù)的一種，鋰離子電池的相關(guān)理論研究，近年來也沒有什么突破性進展，大多數(shù)研究都集中在材料、配方、工藝等方面，也就是如何提高產(chǎn)業(yè)化的程度，研究出性能更優(yōu)異的鋰離子電池(存儲能量更多，用的更久)。
很多人在使用鋰離子電池，很多人在研究鋰離子電池的產(chǎn)品應(yīng)用(如上面提到的產(chǎn)品)，可是大多數(shù)人對鋰離子電池知之甚少，或者總是霧里看花，不得要領(lǐng)。寫本文的目的，不是為了給做鋰離子電池研發(fā)的人看的，而是給那些在產(chǎn)品里面用到鋰離子電池的工程技術(shù)人員或者鋰離子電池的使用者看的。所以本文力求通俗易懂，盡量不使用專業(yè)化的術(shù)語和公式，希望在輕松閱讀之余，能夠提升大家對鋰離子電池的認識，起到答疑解惑的用途。
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作者本人不是鋰離子電池領(lǐng)域的專家，沒有從事過鋰離子電池單體的技術(shù)或產(chǎn)品研發(fā)，但曾長期從事鋰離子電池的應(yīng)用技術(shù)研究，因此希望站在用戶的角度，來闡述我對鋰離子電池的認識。普通用戶，通常把鋰離子電池直接叫作鋰離子電池，雖然兩者并不完全等同，但鋰離子電池確實是當(dāng)前鋰離子電池的絕對主體。
文中大部分的內(nèi)容，都不是本人的原創(chuàng)，而是已經(jīng)存在的知識，站在巨人的肩膀上，我們要做的僅僅是站直身體，抬起頭，世界就在我們眼前。
二、鋰離子電池的基本原理
1.如何選擇能量的載體
首先大家會問，為何選擇鋰元素作為能量載體？
好吧，雖然我們不想去回顧化學(xué)的知識，可是這個問題必須得去元素周期表找答案，好在，大家總還記得元素周期表吧？！實在不記得，我們就花一分鐘來看看下面的表吧。
要想成為好的能量載體，就要以盡可能小的體積和重量，存儲和搬運更多的能量。因此，要滿足下面幾個基本條件：
1)原子相對質(zhì)量要小
2)得失電子能力要強
3)電子轉(zhuǎn)移比例要高
基于這3項基本原則，元素周期表上面的元素比下面的元素要好，左邊的元素比右邊的元素要好。初步篩選，我們只能在元素周期表的第一周期和第二周期里面去找材料：氫、氦、鋰、鈹、硼、碳、氮、氧、氟、氖。排除惰性氣體和氧化劑，只剩下氫、鋰、鈹、硼、碳，這5個元素。
氫元素是自然界最好的能量載體，所以氫燃料動力電池的研究一直方興未艾，代表了電池領(lǐng)域一個非常有前途的方向。當(dāng)然，假如核裂變技術(shù)在未來幾十年能夠取得重大突破，可以做到小型化甚至微型化，那么便攜式的核燃料動力電池將會有廣闊的發(fā)展空間。
接下來就是鋰了，選擇鋰元素來做電池，是基于地球當(dāng)前的所有元素中，我們能夠找到的相對優(yōu)解(鈹?shù)膬α刻倭耍窍∮薪饘僦械南∮薪饘?。氫燃料動力電池與鋰離子電池的技術(shù)路線之爭，在電動汽車領(lǐng)域打的如火如荼，大概就是因為這兩種元素，是我們目前能夠找到的比較好的能量載體。當(dāng)然，這里面還牽涉到很多的商業(yè)利益，甚至政治博弈，這些不是本文要討論的范疇。
順便說一下，自然界中已經(jīng)存在的，并為人類廣泛使用的能源，比如石油、天然氣、煤炭等，其重要成分也是碳、氫、氧等元素(在元素周期表的第一周期和第二周期)。所以不管是自然的選擇，還是人類的設(shè)計，最終都是殊途同歸的。
2.鋰離子電池的工作原理
下面講講鋰離子電池的工作機理。這里不闡述氧化還原反應(yīng)，化學(xué)基礎(chǔ)不好的，或者已經(jīng)把化學(xué)知識還給老師的人，看到這些專業(yè)的東西就會頭暈，所以我們還是搞點直白的描述。這里借用一張圖，這張圖比較容易讓人理解鋰離子電池的原理。
我們按照使用的習(xí)慣，根據(jù)充放電時的電壓差區(qū)分正極(+)和負極(-)，這里不講陽極和陰極，費時費力。這張圖上，電池的正極材料是鈷酸鋰(LiCoO2)，負極材料是石墨(C)。
充電的時候，在外加電場的影響下，正極材料LiCoO2分子里面的鋰元素脫離出來，變成帶正電荷的鋰離子(Li+)，在電場力的用途下，從正極移動到負極，與負極的碳原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成LiC6，于是從正極跑出來的鋰離子就很穩(wěn)定的嵌入到負極的石墨層狀結(jié)構(gòu)當(dāng)中。從正極跑出來轉(zhuǎn)移到負極的鋰離子越多，這個電池可以存儲的能量就越多。
放電的時候剛好相反，內(nèi)部電場轉(zhuǎn)向，鋰離子(Li+)從負極脫離出來，順著電場的方向，又跑回到正極，重新變成鈷酸鋰分子(LiCoO2)。從負極跑出來轉(zhuǎn)移到正極的鋰離子越多，這個電池可以釋放的能量就越多。
在每一次充放電循環(huán)過程中，鋰離子(Li+)充當(dāng)了電能的搬運載體，周而復(fù)始的從正極→負極→正極來回的移動，與正、負極材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了電荷的轉(zhuǎn)移，這就是鋰離子電池的基本原理。由于電解質(zhì)、隔離膜等都是電子的絕緣體，所以這個循環(huán)過程中，并沒有電子在正負極之間的來回移動，它們只參與電極的化學(xué)反應(yīng)。
3.鋰離子電池的基本構(gòu)成
要實現(xiàn)上述的功能，鋰離子電池內(nèi)部要包含幾種基本材料：正極活性物質(zhì)、負極活性物質(zhì)、隔離膜、電解質(zhì)。下面做簡單論述，這些材料都是干嘛的。
正負極不難理解，要實現(xiàn)電荷移動，就要存在電位差的正負極材料，那么什么是活性物質(zhì)？我們了解，電池實際上是將電能和化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)能量的存儲和釋放。要實現(xiàn)這個過程，就要正負極的材料很容易參與化學(xué)反應(yīng)，要活潑，要容易氧化和還原，從而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，所以我們要活性物質(zhì)來做電池的正負極。
上面已經(jīng)提到，鋰元素是我們做電池的優(yōu)選材料，那么為何不用金屬鋰來做電極的活性物質(zhì)呢？這樣不是可以達到最大的能量密度嗎？
我們再看上面這張圖，氧(O)、鈷(Co)、鋰(Li)三種元素構(gòu)成了非常穩(wěn)定的正極材料結(jié)構(gòu)(圖中的比例和排列僅作參考)，負極石墨的碳原子排列也具有非常穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)。正負極材料不但要活潑，還要具有非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，才能實現(xiàn)有序的，可控的化學(xué)反應(yīng)。不穩(wěn)定的結(jié)果是什么？想想汽油燃燒和炸彈爆炸，能量劇烈釋放，這個化學(xué)反應(yīng)的過程實際上是無法人為去精確控制的，于是化學(xué)能變成了熱能，一次性把能量釋放完畢，而且不可逆。
金屬形態(tài)存在的鋰元素太活潑了，調(diào)皮的孩子多半都不聽話，喜歡搞破壞。早期針對鋰離子電池的研究，確實是集中以金屬鋰或其合金作為負極這個方向，但是因為安全問題突出，不得不尋找其他更好的路徑。近年來，隨著人們對能量密度的追求，這個研究方向又有滿血復(fù)活的趨勢，這個我們后面會講到。
為了實現(xiàn)能量存儲和釋放過程中的化學(xué)穩(wěn)定性，即電池充放電循環(huán)的安全性和長壽命，我們要一種電極材料，在要活潑的時候活潑，在要穩(wěn)定的時候穩(wěn)定。經(jīng)過長期的研究和探索，人們找到了幾種鋰的金屬氧化物，如鈷酸鋰、鈦酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元等材料，作為電池正極或負極的活性物質(zhì)，解決了上述問題。如上圖所示，磷酸鐵鋰的橄欖石結(jié)構(gòu)也是一種非常穩(wěn)定的正極材料結(jié)構(gòu)，充放電過程中鋰離子的脫嵌，并不會造成晶格坍塌。題外話，鋰金屬電池確實是有的，但與鋰離子電池相比，幾乎可以忽略不計，技術(shù)的發(fā)展，最終還是要服務(wù)于市場。
當(dāng)然，在解決了穩(wěn)定性問題的同時，也帶來了嚴重的副用途，就是作為能量載體的鋰元素占比大大降低，能量密度降了不止一個數(shù)量級，有得必有失，自然之道啊。
負極通常選擇石墨或其他碳材料做活性物質(zhì)，也是遵循上述的原則，既要求是好的能量載體，又要相對穩(wěn)定，還要有相對豐富的儲量，便于大規(guī)模制造，找來找去，碳元素就是一個相對優(yōu)解。當(dāng)然，這并不是唯一解，針對負極材料的研究很廣泛，后面有論述。
電解質(zhì)是干嘛的？通俗的講，就是游泳池里面的水，讓鋰離子能夠自由的游來游去，所以呢，離子電導(dǎo)率要高(游泳的阻力小)，電子電導(dǎo)率要小(絕緣)，化學(xué)穩(wěn)定性要好(穩(wěn)定壓倒一切啊)，熱穩(wěn)定性要好(都是為了安全)，電位窗口要寬。基于這些原則，經(jīng)過長期的工程探索，人們找到了由高純度的有機溶劑、電解質(zhì)鋰鹽、和必要的添加劑等原料，在一定條件下、按一定比例配制而成的電解質(zhì)。有機溶劑有PC(碳酸丙烯酯)，EC(碳酸乙烯酯)，DMC(碳酸二甲酯)，DEC(碳酸二乙酯)，EMC(碳酸甲乙酯)等材料。電解質(zhì)鋰鹽有LiPF6，LiBF4等材料。
隔離膜則是為了阻止正負極材料直接接觸而加進來的，我們希望把電池做的盡可能的小，存儲的能量盡可能的多，于是正負極之間的距離越來越小，短路成為一個巨大的風(fēng)險。為了防止正負極材料短路，造成能量的劇烈釋放，就要用一種材料將正負極隔離開來，這就是隔離膜的由來。隔離膜要具有良好的離子通過性，重要是給鋰離子開放通道，讓其可以自由通過，同時又是電子的絕緣體，以實現(xiàn)正負極之間的絕緣。目前市場上的隔膜重要有單層PP，單層PE，雙層PP/PE，三層PP/PE/PP復(fù)合膜等。
4.鋰離子電池的完整材料構(gòu)成
除了上面提到的4種重要材料之外，要想把鋰離子電池從實驗室的一個實驗品變成一個可以商業(yè)化應(yīng)用的產(chǎn)品，還要其他一些不可或缺的材料。
我們先看電池的正極，除了活性物質(zhì)之外，還有導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，以及用作電流載體的基體和集流體(正極通常是鋁箔)。粘結(jié)劑要把作為活性物質(zhì)的鋰金屬氧化物均勻的固定在正極基帶上面，導(dǎo)電劑則要增強活性物質(zhì)與基體的電導(dǎo)率，以達到更大的充放電電流，集流體負責(zé)充當(dāng)電池內(nèi)外部的電荷轉(zhuǎn)移橋梁。
負極的構(gòu)造與正極基本相同，要粘結(jié)劑來固定活性物質(zhì)石墨，要銅箔作為基體和集流體來充當(dāng)電流的導(dǎo)體，但因為石墨本身良好的導(dǎo)電性，所以負極一般不添加導(dǎo)電劑材料。
除了以上材料外，一個完整的鋰離子電池還包括絕緣片、蓋板、泄壓閥、殼體(鋁，鋼，復(fù)合膜等)，以及其他一些輔助材料。
5.鋰離子電池的制作工藝
鋰離子電池的制作工藝比較復(fù)雜，此處僅就部分關(guān)鍵工序做簡單描述。根據(jù)極片裝配方式的不同，通常有卷繞和疊片兩種工藝路線。
疊片工藝是將正極、負極切成小片與隔離膜疊合成小電芯單體，然后將小電芯單體疊放并聯(lián)起來，組成一個大電芯的制造工藝，其大體工藝流程如下：
卷繞工藝是將正負極片、隔離膜、正負極耳、保護膠帶、終止膠帶等物料固定在設(shè)備上，設(shè)備經(jīng)過放卷完成電芯制作。
。
鋰離子電池的常見外形重要有圓柱形和方形，根據(jù)殼體材料不同，又有金屬外殼和軟包外殼等
三、重要參數(shù)指標
鋰離子電池具有能量密度高、轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)、無充放電延時、自放電率低、工作溫度范圍寬和環(huán)境友好等優(yōu)點，因而成為電能的一個比較理想的載體，在各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
一般而言，我們在使用鋰離子電池的時候，會關(guān)注一些技術(shù)指標，作為衡量其性能優(yōu)劣的重要因素。那么，什么指標是我們要在使用的時候，應(yīng)該予以特別關(guān)注呢？
1.容量
這是大家比較關(guān)心的一個參數(shù)。智能手機早已普及，我們在使用智能手機的時候，最為擔(dān)心的就是電量不足，要頻繁充電，有時還找不到地方充電。早期的功能機，正常使用情況下，滿充的電池可以待機3~5天，一些產(chǎn)品甚至可以待機7天以上?？墒堑搅酥悄軝C時代，待機時間就顯得慘不忍睹了。這里面很重要的一個原因，就是手機的功耗越來越大，而電池的容量卻沒有同比例的上升。
容量的單位一般為mAh(毫安時)或Ah(安時)，在使用時又有額定容量和實際容量的差別。額定容量是指滿充的鋰離子電池在實驗室條件下(比較理想的溫濕度環(huán)境)，以某一特定的放電倍率(C-rate)放電到截止電壓時，所能夠供應(yīng)的總的電量。實際容量一般都不等于額定容量，它與溫度、濕度、充放電倍率等直接相關(guān)。一般情況下，實際容量比額定容量偏小一些，有時甚至比額定容量小很多，比如北方的冬季，假如在室外使用手機，電池容量會迅速下降。
2.能量密度
能量密度，指的是單位體積或單位重量的電池，能夠存儲和釋放的電量，其單位有兩種：Wh/kg，Wh/L，分別代表重量比能量和體積比能量。這里的電量，是上面提到的容量(Ah)與工作電壓(V)的積分。在應(yīng)用的時候，能量密度這個指標比容量更具有指導(dǎo)性意義。
基于當(dāng)前的鋰離子電池技術(shù)，能夠達到的能量密度水平大約在100~200Wh/kg，這一數(shù)值還是比較低的，在許多場合都成為鋰離子電池應(yīng)用的瓶頸。這一問題同樣出現(xiàn)在電動汽車領(lǐng)域，在體積和重量都受到嚴格限制的情況下，電池的能量密度決定了電動汽車的單次最大行駛里程，于是出現(xiàn)了里程焦慮癥這一特有的名詞。假如要使得電動汽車的單次行駛里程達到500公里(與傳統(tǒng)燃油車相當(dāng))，電池單體的能量密度必須達到300Wh/kg以上。
鋰離子電池能量密度的提升，是一個緩慢的過程，遠低于集成電路產(chǎn)業(yè)的摩爾定律，這就造成了電子產(chǎn)品的性能提升與電池的能量密度提升之間存在一個剪刀差，并且隨著時間不斷擴大。
3.充放電倍率
這個指標會影響鋰離子電池工作時的持續(xù)電流和峰值電流，其單位一般為C(C-rate的簡寫)，如1/10C，1/5C，1C，5C，10C等。舉個例子來闡述倍率指標的具體含義，某電池的額定容量是10Ah，假如其額定充放電倍率是1C，那么就意味著這個型號的電池，可以以10A的電流，進行反復(fù)的充放電，一直到充電或放電的截止電壓。假如其最大放電倍[email protected]，[email protected]，那么該電池可以以100A的電流進行持續(xù)10秒的放電，以50A的電流進行持續(xù)10秒的充電。
充放電倍率對應(yīng)的電流值乘以工作電壓，就可以得出鋰離子電池的持續(xù)功率和峰值功率指標。充放電倍率指標含義的越詳細，關(guān)于使用時的指導(dǎo)意義越大。尤其是作為電動交通工具動力源的鋰離子電池，要規(guī)定不同溫度條件下的持續(xù)和脈沖倍率指標，以確保鋰離子電池使用在合理的范圍之內(nèi)。
4.電壓
鋰離子電池的電壓，有開路電壓、工作電壓、充電截止電壓、放電截止電壓等一些參數(shù)，本文不再分開一一論述，而是集中做個解釋。
開路電壓，顧名思義，就是電池外部不接任何負載或電源，測量電池正負極之間的電位差，此即為電池的開路電壓。
工作電壓，就是電池外接負載或電源，處在工作狀態(tài)，有電流流過時，測量所得的正負極之間的電位差。一般來說，由于電池內(nèi)阻的存在，放電狀態(tài)時的工作電壓低于開路電壓，充電時的工作電壓高于開路電壓。
充/放電截止電壓，是指電池允許達到的最高和最低工作電壓。超過了這一限值，會對電池出現(xiàn)一些不可逆的損害，導(dǎo)致電池性能的降低，嚴重時甚至造成起火、爆炸等安全事故。
電池的開路電壓和工作電壓，與電池的容量存在一定的對應(yīng)關(guān)系。
5.壽命
鋰離子電池的壽命會隨著使用和存儲而逐步衰減，并且會有較為明顯的表現(xiàn)。仍然以智能手機為例，使用過一段時間的手機，可以很明顯的感覺到手機電池不耐用了，剛開始可能一天只充一次，后面可能要一天充電兩次，這就是電池壽命不斷衰減的體現(xiàn)。
鋰離子電池的壽命分為循環(huán)壽命和日歷壽命兩個參數(shù)。循環(huán)壽命一般以次數(shù)為單位，表征電池可以循環(huán)充放電的次數(shù)。當(dāng)然這里也是有條件的，一般是在理想的溫濕度下，以額定的充放電電流進行深度的充放電(100%DOD或者80%DOD)，計算電池容量衰減到額定容量的80%時，所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)。
日歷壽命的含義則比較復(fù)雜，電池不可能一直在充放電，有存儲和擱置，也不可能一直處于理想環(huán)境條件，會經(jīng)歷各種溫濕度條件，充放電的倍率也是時刻在變化的，所以實際的使用壽命就要模擬和測試。簡單的說，日歷壽命就是電池在使用環(huán)境條件下，經(jīng)過特定的使用工況，達到壽命終止條件(比如容量衰減到80%)的時間跨度。日歷壽命與具體的使用要求是緊密結(jié)合的，通常要規(guī)定具體的使用工況，環(huán)境條件，存儲間隔等。
日歷壽命比循環(huán)壽命更具有實際意義，但由于日歷壽命的測算非常復(fù)雜，而且耗時太長，所以一般電池廠家只給出循環(huán)壽命的數(shù)據(jù)。如要獲得日歷壽命的數(shù)據(jù)，通常要額外付費，且要等待很長時間。
6.內(nèi)阻
鋰離子電池的內(nèi)阻是指電池在工作時，電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力，它包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，極化內(nèi)阻又包括電化學(xué)極化內(nèi)阻和濃差極化內(nèi)阻。
歐姆內(nèi)阻由電極材料、電解質(zhì)、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成。極化內(nèi)阻是指電化學(xué)反應(yīng)時由極化引起的電阻，包括電化學(xué)極極化和濃差極化引起的電阻。
內(nèi)阻的單位一般是毫歐姆(m)，內(nèi)阻大的電池，在充放電的時候，內(nèi)部功耗大，發(fā)熱嚴重，會造成鋰離子電池的加速老化和壽命衰減，同時也會限制大倍率的充放電應(yīng)用。所以，內(nèi)阻做的越小，鋰離子電池的壽命和倍率性能就會越好。
7.自放電
電池在放置的時候，其容量是在不斷下降的，容量下降的速率稱為自放電率，通常以百分數(shù)表示：%/月。
自放電是我們不希望看到的，一個充滿電的電池，放個幾個月，電量就會少很多，所以我們希望鋰離子電池的自放電率越低越好。
這里要特別注意，一旦鋰離子電池的自放電導(dǎo)致電池過放，其造成的影響通常是不可逆的，即使再充電，電池的可用容量也會有很大損失，壽命會快速衰減。所以長期放置不用的鋰離子電池，一定要記得定期充電，防止因為自放電導(dǎo)致過放，性能受到很大影響。
8.工作溫度范圍
由于鋰離子電池內(nèi)部化學(xué)材料的特性，鋰離子電池有一個合理的工作溫度范圍(常見的數(shù)據(jù)在-40℃~60℃之間)，假如超出了合理的范圍使用，會對鋰離子電池的性能造成較大的影響。
不同材料的鋰離子電池，其工作溫度范圍也是不相同的，有些具有良好的高溫性能，有些則能夠適應(yīng)低溫條件。鋰離子電池的工作電壓、容量、充放電倍率等參數(shù)都會隨著溫度的變化而發(fā)生非常顯著的變化。長時間的高溫或低溫使用，也會使得鋰離子電池的壽命加速衰減。因此，努力創(chuàng)造一個適宜的工作溫度范圍，才能夠最大限度的提升鋰離子電池的性能。
除了工作溫度有限制之外，鋰離子電池的存儲溫度也是有嚴格約束的，長期高溫或低溫存儲，都會對電池性能造成不可逆的影響。
四、鋰離子電池的正負極材料
我們經(jīng)常會看到磷酸鐵鋰，三元等專業(yè)的鋰離子電池術(shù)語，這些都是根據(jù)鋰離子電池正極材料來區(qū)分鋰離子電池的類型。相對來講，鋰離子電池的正、負極材料對電池性能的影響比較大，是大家比較關(guān)心的方面。那么，當(dāng)前市場上都有什么常見的正負極材料呢？用他們做鋰離子電池，又有什么優(yōu)缺點？
1.正極材料
首先，我們來看看正極材料，正極材料的選擇，重要基于以下幾個因素考慮：
1)具有較高的氧化還原反應(yīng)電位，使鋰離子電池達到較高的輸出電壓；
2)鋰元素含量高，材料堆積密度高，使得鋰離子電池具有較高的能量密度；
3)化學(xué)反應(yīng)過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要好，使得鋰離子電池具有長循環(huán)壽命；
4)電導(dǎo)率要高，使得鋰離子電池具有良好的充放電倍率性能；
5)化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性要好，不易分解和發(fā)熱，使得鋰離子電池具有良好的安全性；
6)價格便宜，使得鋰離子電池的成本足夠低；
7)制造工藝相對簡單，便于大規(guī)模生產(chǎn)；
8)對環(huán)境的污染低，易于回收利用。
當(dāng)前，鋰離子電池的能量密度、充放電倍率、安全性等一些關(guān)鍵指標，重要受制于正極材料。
基于這些因素考慮，經(jīng)過工程研究和市場化檢驗，目前市場常見的正極材料如下表所示：
鈷酸鋰的商業(yè)化應(yīng)用走的最早，第一代商業(yè)化應(yīng)用的鋰離子電池就是SONY在1990年推向市場的鈷酸鋰離子電池，隨后在消費類產(chǎn)品中得到大規(guī)模應(yīng)用。隨著手機、筆記本、平板電腦的大規(guī)模普及，鈷酸鋰一度是鋰離子電池正極材料中銷售量占比最大的材料。但其固有的缺點是質(zhì)量比容量(不等同于能量密度)低，理論極限是274mAh/g，出于正極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性考慮，實際只能達到理論值的50%，即137mAh/g。同時，由于地球上鈷元素的儲量比較低，也導(dǎo)致鈷酸鋰的成本偏高，難以在動力鋰電池領(lǐng)域大規(guī)模普及，所以鈷酸鋰正極材料將被其他材料逐步取代。
由于穩(wěn)定性，安全性，材料合成困難等方面的缺點，鎳酸鋰的商業(yè)應(yīng)用較少，市場上很少看到，這里不做論述。
錳酸鋰的商業(yè)化應(yīng)用，重要在動力鋰電池領(lǐng)域，是鋰離子電池一個比較重要的分支。如日產(chǎn)的leaf純電動轎車采用了日本AESC公司的錳酸鋰離子電池，早期的雪弗蘭Volt也采用韓國LG化學(xué)的錳酸鋰離子電池。錳酸鋰的突出優(yōu)點是成本低，低溫性能好，缺點是比容量低，極限在148mAh/g，且高溫性能差，循環(huán)壽命低。所以錳酸鋰的發(fā)展有明顯的瓶頸，近年來的研究方向重要是改性錳酸鋰，通過摻雜其他元素，改變其缺點。
磷酸鐵鋰材料在我國熱過一陣子，一方面受美國科研機構(gòu)和公司在技術(shù)方面的帶動，另一方面受比亞迪在國內(nèi)的產(chǎn)業(yè)化推動，前幾年國內(nèi)的鋰離子電池公司在動力鋰電池領(lǐng)域基本都以磷酸鐵鋰材料為主。但是隨著全球各國對鋰離子電池能量密度的要求越來越高，而磷酸鐵鋰的比容量理論極限是170mAh/g，而實際上只能達到120mAh/g左右，已經(jīng)無法滿足當(dāng)前和未來的市場需求。此外，磷酸鐵鋰的倍率性能一般，低溫特性差等缺點，也限制了磷酸鐵鋰的應(yīng)用。最近比亞迪搞出了一個改性磷酸鐵鋰材料，把能量密度提升了不少，還未透露具體的技術(shù)細節(jié)，不了解摻雜了什么材料在里面。就產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域而言，電力儲能市場應(yīng)該是磷酸鐵鋰離子電池的一個重要市場，相對而言，這個市場對能量密度不是特別敏感，而對長壽命，低成本，高安全性電池的迫切需求，正是磷酸鐵鋰材料的優(yōu)勢所在。
日韓公司在近幾年大力推動三元材料的應(yīng)用，鎳鈷錳三元材料逐漸成為市場的主流，國內(nèi)公司也采取跟隨策略，逐步轉(zhuǎn)向三元材料。三元材料的比容量較高，目前市場上的產(chǎn)品已經(jīng)可以達到170~180mAh/g，從而可以將電池單體的能量密度提高到接近200Wh/kg，滿足電動汽車的長續(xù)航里程要求。此外，通過改變?nèi)牧系呐浔?x，y的值)，還可以達到良好的倍率性能，從而滿足PHEV和HEV車型對大倍率小容量鋰離子電池的需求，這也正是三元材料大行其道的原因。從化學(xué)式可以看出，鎳鈷錳三元材料綜合了鈷酸鋰(LiCoO2)和錳酸鋰(LiMn2O4)的一些優(yōu)點，同時因為摻雜了鎳元素，可以提升能量密度和倍率性能。
鎳鈷鋁三元材料，嚴格來說，其實算是一種改性的鎳酸鋰(LiNiO2)材料，在其中摻雜了一定比例的鈷和鋁元素(占比較少)。商業(yè)化應(yīng)用方面重要是日本的松下公司在做，其他鋰離子電池公司基本沒有研究這個材料。之所以拿來比較，是因為鼎鼎大名的Tesla，就是使用松下公司的18650鎳鈷鋁三元電芯做電動汽車的動力鋰電池系統(tǒng)，并且做到了接近500公里的續(xù)航里程，說明了這種正極材料，還是有其獨特的價值。
以上僅僅是比較常見的鋰離子電池正極材料，并不代表所有的技術(shù)路線。實際上，不管是高校和科研院所，還是公司，都在努力研究新型的鋰離子電池正極材料，希望把能量密度和壽命等關(guān)鍵指標提升到更高的量級。當(dāng)然，假如要在2020年達到250Wh/kg，甚至300Wh/kg的能量密度指標，現(xiàn)在商業(yè)化應(yīng)用的正極材料都無法實現(xiàn)，那么正極材料就要比較大的技術(shù)變革，如改變層狀結(jié)構(gòu)為尖晶石結(jié)構(gòu)的固溶體類材料，以及有機化合物正極材料等，都是目前比較熱門的研究方向。
2.負極材料
相對而言，針對鋰離子電池負極材料的研究，沒有正極材料那么多，但是負極材料對鋰離子電池性能的提高仍起著至關(guān)重要的用途，鋰離子電池負極材料的選擇應(yīng)重要考慮以下幾個條件：
1)應(yīng)為層狀或隧道結(jié)構(gòu)，以利于鋰離子的脫嵌；
2)在鋰離子脫嵌時無結(jié)構(gòu)上的變化，具有良好的充放電可逆性和循環(huán)壽命；
3)鋰離子在其中應(yīng)盡可能多的嵌入和脫出，以使電極具有較高的可逆容量；
4)氧化還原反應(yīng)的電位要低，與正極材料配合，使電池具有較高的輸出電壓；
5)首次不可逆放電比容量較??；
6)與電解質(zhì)溶劑相容性好；
7)資源豐富、價格低廉；
8)安全性好；
9)環(huán)境友好。
鋰離子電池負極材料的種類繁多，根據(jù)化學(xué)組成可以分為金屬類負極材料(包括合金)、無機非金屬類負極材料及金屬氧化物類負極材料。
(1)金屬類負極材料：這類材料多具有超高的嵌鋰容量。最早研究的負極材料是金屬鋰。由于電池的安全問題和循環(huán)性能不佳，金屬鋰作為負極材料并未得到廣泛應(yīng)用。近年來，合金類負極材料得到了比較廣泛的研究，如錫基合金，鋁基合金、鎂基合金、銻基合等，是一個新的方向。
(2)無機非金屬類負極材料：用作鋰離子電池負極的無機非金屬材料重要是碳材料、硅材料及其它非金屬的復(fù)合材料。
(3)過渡金屬氧化物材料：這類材料一般具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，循環(huán)壽命長等優(yōu)點，如鋰過渡氧化物(鈦酸鋰等)、錫基復(fù)合氧化物等。
就當(dāng)前的市場而言，在大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用方面，負極材料仍然以碳材料為主，石墨類和非石墨類碳材料都有應(yīng)用。在汽車及電動工具領(lǐng)域，鈦酸鋰作為負極材料也有一定的應(yīng)用，重要是具有非常優(yōu)異的循環(huán)壽命、安全性和倍率性能，但是會降低電池的能量密度，因此不是市場主流。其他類型的負極材料，除了SONY在錫合金方面有產(chǎn)品推出，大多仍以科學(xué)研究和工程開發(fā)為主，市場化應(yīng)用的比較少。
就未來的發(fā)展趨勢而言，假如能有效解決循環(huán)性能，硅基材料將可能取代碳材料成為下一代鋰離子電池的重要負極材料。錫合金，硅合金等合金類的負極材料，也是一個非常熱門的方向，將走向產(chǎn)業(yè)化。此外，安全性和能量密度較高的鐵氧化物，有可能取代鈦酸鋰(LTO)，在一些長壽命和安全性要求較高的領(lǐng)域，得到廣泛應(yīng)用。
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