錳酸鋰常用的表徵方法

⑴ 鎳錳酸鋰的應用

近年來，關於LiNi0.5Mn1.5O4材料相關方面的研究和應用在國內外均形成快速增長的勢態，一些公司如日本SANYO、韓國LG化學、美國Enerdel、法國CEA -Liten、以色列ETVM公司已經在開始嘗試LiNi0.5Mn1.5O4材料的商品化開發問題。而日本大金工業也開發出了專用於該材料的氟類電解液。
以色列ETV汽車（ETVM）公司於2010年11月11月宣布，重點開發電動汽車用電池技術，並使其高電壓High5ive鋰離子電池驗證了在遙控的飛機上應用。根據其報道，High5ive鋰離子電池基於專有的配方，使用與Bar Ilan大學電化學團隊合作開發的鋰錳鎳氧化物晶石(LMNS)陰極。該電池堆用作ETVM公司RC飛機的動力，基於4.7-volt鋰離子晶石技術，預計其基於這種先進配方的第一款原型電池於2011年初面世。ETVM公司High5ive4.7V電池設計很緊湊，與最常用的競爭性電池相比，驅動距離可多一倍。這種電池的生產也不貴，擁有較高的能量密度達200-250 Wh/kg，電池本身可達300-350Wh/kg。並可安全使用。在上述報道中，這裡面所提到的「鋰錳鎳氧化物晶石(LMNS)陰極」就是尖晶石鎳錳酸鋰。

⑵ 「科普」新能源車動力電池安全風險與應對方法

1、新能源車電安全引人擔憂

近年來伴隨新能源車市場的火爆， 社會 上已發生多起新能源車起火事故，電池安全漸漸成為了新能源電動 汽車 最重要的議題之一，也是各方關注的焦點。新能源 汽車 國家大數據聯盟在2019年08月發布的《新能源 汽車 國家監管平台大數據安全監管成果報告》顯示：2019年5月起3個月之內共發現79起安全事故，涉及96台車，情況很嚴重。已查明著火原因主要是電池自燃、車輛碰撞、車輛浸水、車輛不合理使用問題，它們導致了鋰離子熱失控。事故車輛中磷酸鐵鋰電池佔比7%左右、三元鋰離電池佔比86%左右，剩餘車輛電池不明。

圖1 電動 汽車 起火相關案例

基於此，針對電動 汽車 的法規升級越加頻繁，要求也越來越高。國標GB30381-2020《電動 汽車 用動力蓄電池安全要求》加入了電池熱失控預警要求，要求車輛在熱失控導致乘員艙發生危險前5min發出提示信息提示人員安全撤離，對熱失控的檢測以及蔓延抑制提出了緊迫而具體的要求。C-NCAP在2021年也引入了柱碰測試法規，國外機構Tesla、三洋、三星等在2014年前就電池熱失控領域開展了大量研究，Tesla已申請60多份相關專利；國內機構如CATL、清華大學近幾年均成立專門的技術團隊研究電池安全特性；以清華大學為例，其熱失控方面部分研究成果已用於寶馬、戴姆勒、三星、長安、CATL等合作項目。

圖2 電動 汽車 中涉及電池安全的相關標准

由於法規的升級和樹立 汽車 品牌形象需要，目前國內越來越多的主機廠生產的新能源電動車也開始考慮了絕緣安全防護，如基本絕緣、外殼防護、漏電監測、手動斷開等安全防護措施；除此之外，在新能源 汽車 安全開發過程中，GB 以及NCAP 工況只是基本的考核要求，為實現真正的新能源 汽車 的安全性，減小消費者對新能源車不安全的誤區，我們需考慮更多的實際交通道路事故中所出現的碰撞工況，在所有測試工況下避免高壓電防護失效導致的高壓傷害。

圖3 新能源車型電安全開發考核工況

2、動力電池簡介

從系統的角度來說，電池分為化學電池、物理電池和生物電池三大類。對於我們比較熟悉的化學電池，則是按正負極材料進行分類，有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等車輛比較常用的動力電池。鉛酸電池技術成熟、價格便宜，但其污染嚴重，比能量低，一般應用於大型不間斷供電電源以及電動自行車；鎳氫電池安全性高、耐過充過放性能好，但其比能量低、低溫性能差、自放電率高，一般應用於混合電動 汽車 以及電動工具；鋰離子電池相比以上2種電池具有比能量高、循環壽命長、充電功率范圍寬、倍率放電性能好、污染小等優良特性，現今被電動 汽車 廣泛採用，也是現今國網力推的一種電動 汽車 充電電池類型。

圖4 電池分類

市場上常見的鋰離子電池基本分為4類，其中磷酸鐵鋰電池的熱穩定性最好，錳酸鋰電池次優，三元鋰LiNiCoMnO2電池略差，而鈷酸鋰電池最差。磷酸鐵鋰電池循環壽命長、毒副作用小、成本低廉、充放電倍率大、高溫穩定性好，但一致性不好，能量密度低。錳酸鋰電池成本低，毒害性較低，但熱穩定性差，循環壽命短，應用較少。三元鋰（LiMn2O4）電池能量密度高，但大功率充放電後溫度升高，高溫時釋放氧氣，熱穩定性較差，壽命較短。鈷酸鋰電池熱穩定性最差，它的正極在高溫時容易分解，加速熱失控，但能量密度高，續航更出色，特斯拉 汽車 採用了這種電池。

圖5 主流鋰離子電池性能比較

這些種類的鋰離子電池最大的區別就是正極材料的不同, 實際上正極材料是影響鋰離子電池性能和成本的關鍵因素，目前國內新能源 汽車 動力電池應用最多的是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。

圖6 磷酸鐵鋰刀片電池

圖7 三元鋰硬殼電池

圖8 一般動力電池包結構形式

3、電池存在的安全風險

各種電池起火的共性原因是電池熱失控，隱患總體可以分為三大類，一類是環境高溫，引起電池正負極的劇烈反應，反應會向可燃的電解液中釋放大量的能量，並析出氧氣，導致電池膨脹、過熱甚至失火；一類則是外部的物理性破壞，導致電池隔膜貫穿，正負極直接接觸使得電池內短路，短時間內釋放大量電能（可轉換成熱能），導致電池熱失控；最後一類則是電池過充、過放導致的內部結構損壞，從而引發電池的熱失控。

熱失控(Thermal runaway)是指由於鋰離子液態電池在外部高溫、內部短路，電池包進水或者電池在大電流充放電各種外部和內部誘因的作用下，導致電池內部的正、負極自身發熱，或者直接短路，觸發「熱引發」，熱量無法擴散，溫度逐步上升，電池中負極表面的SEI(Solid Electrolyte Interface)膜、電解液、正負極等在高溫下發生一系列熱失控反應(熱分解) 。直到某一溫度點，溫度和內部壓力急劇增加，電池的能量在瞬間轉換成熱能，形成單個電池燃燒或爆炸。引起單個電池熱失控的因素很多、很復雜，但電流過大或溫度過高導致的熱失控佔多數，下面重點介紹這種熱失控的機理。

以鋰離子電池為例，溫度達到90 時，負極表面SEI膜開始分解。溫度再次升高後，正負極之間的隔膜（PP或PE）遇高溫收縮分解，正、負極直接接觸，短路引起大量的熱量和火花，導致溫度進一步升高。熱失控時，230 250 的高溫導致電解液幾乎完全蒸發、分解了。它含有大量易燃、易爆的有機溶劑，逐步受到熱失控的影響，最終分解發生燃燒，是熱失控的重要原因。電解液在燃燒同時，產生一氧化碳等有毒氣體，也是重大的安全隱患。電解液如果泄漏，在外部空氣中形成比重較大的蒸汽，容易在較低位置大范圍擴散，這種擴散范圍極易遇火源引起安全事故。清華大學的研究顯示：正極中含鎳越多則熱穩定性越差，碳素材料的負極在壽命的前期較穩定，但是壽命衰減後變差。這從側面說明三元鋰電池的高鎳比例，雖然容量更大，但會導致更大的熱失控風險。

圖9 熱失控隨溫度的變化過程

4、應對電池可能存在的電池安全風險

應對電池可能存在的電池安全風險，可以從四個層級、七個維度來考慮電池的安全，四個層級指電芯、模組、電池包、整車，七個維度包括可靠連接、高壓防護、機械擠壓、過充、布置形式、短路和熱失控，在每個維度跟層級都有對應的防護措施，全方位有效的保護電池安全。

新能源 汽車 發生冒煙起火的場景一般為車輛靜置時充放電和車輛行駛中發生碰撞，下面我們基於鋰離子動力電池在機械擠壓這個維度來講解下目前開展的一般研究方法，探究整車碰撞中電池包的受力形態與損傷（失效、起火、爆炸）機理。

本研究從卷芯到單體到模組再到電池包共4個層級，每個層級的研究又分為試驗和模擬兩個方面，通過不同載入方向、不同載入速度的試驗來研究卷芯、單體和模組的各向異性和應變率效應，以及載入方向和載入速度的不同給動力電池變形行為和失效行為帶來的影響，全面認識動力電池在不同載荷工況下的響應規律和內在失效機理；藉助對試驗結果的認知，開發能夠表徵其應變率效應、各向異性和失效行為的卷芯模型，並以卷芯模型為基礎，逐級向上開發兼顧模擬精度和計算效率的電池單體模型和模組模型，以試驗結果為參考對各模擬模型的模擬精度進行驗證，為電動 汽車 電池包碰撞安全保護的開發提供虛擬模擬工具。

圖10 研究總體框架

1）卷芯層級研究

卷芯是組成單體進而構成模組的基礎，也是電池包裡面最基本的電化學單元，了解卷芯的力學性能，及其力學失效和電化學失效之間的聯系，有助於深入認識電池包在碰撞擠壓載荷下的響應規律和失效機理。鋰離子電池的正極材料通常以鋁質集流體為基底，塗布鈷酸鋰（LiCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）和磷酸鐵鋰（LiFePO4）等鋰離子活性物質。負極材料通常以銅質集流體為基底，塗布石墨或硅層。而隔膜則常為由聚乙烯或聚丙烯等材料製成的多孔薄膜。通過對卷芯中的正極復合體、鋁箔、隔膜、負極復合體、銅箔等進行拉伸、壓縮、穿孔試驗，得到相應材料的材料卡片，為卷芯的精細化建模搭好基礎。

圖11 卷芯組分研究流程圖 研究總體框架

2）單體層級研究

電池單體是向下集成卷芯、向上構成模組的結構，每一個單體都是一個可以獨立工作的電化學集合體。目前車用鋰離子動力電池單體，通常採用卷繞或疊片式卷芯（交替布置的正負電極和電極間的隔膜）和液態電解質，用金屬外殼封裝成圓柱形（a）或方形硬殼電池（b），或用鍍金屬塑料膜封裝為軟包電池（c）單體層級研究。

圖12 (a) 圓柱形硬殼電池單體 (b) 方形硬殼電池單體

(c) 軟包電池單體

為了全面了解電池單體在碰撞擠壓載荷下的響應規律和失效機理，研究同樣對單體進行了不同載入方向和不同載入速度的擠壓試驗。

圖13 （a）Z向圓柱擠壓 (b) Y向圓柱擠壓 (c) X向圓柱擠壓

(d) Z向球頭擠壓 (e) Z向錐面擠壓

通過實驗，可以得到對應的力-位移-電壓曲線，結合對樣件電鏡掃描結果，來研究響應規律和失效機理，和建立了單體的有限元模型。

圖14 某工況下單體力-位移-電壓曲線

對於電池單體，我們通過多種方向和多種不同的載入速度的組合試驗對其力電響應進行了測試，可以發現，單體也有著明顯的各向異性和應變率效應。其次，單體的短路行為也具有明顯的各向異性，相比於Y向和X向，Z向是單體最容易發生短路失效的擠壓方向。藉助對試驗結果的認知，開發能夠表徵其應變率效應、各向異性和失效行為且兼顧模擬精度和計算效率的單體模型。

圖15 單體有限元模型

3）模組層級研究

模組是將一個以上電池單體按照串聯、並聯或串並聯方式組合，並作為電源使用的組合體。其研究方法與單體基本一致，但由於其結構比單體更加復雜多元，研究中需要考慮多種失效形式，包括單體之間的粘膠，殼體撕裂，端板斷裂的現象。

圖16 模組測試系統

圖17 模組試驗形式及樣件變形情況

通過研究發現，相比單體內短路（卷芯斷裂）壓降失效而言，模組試驗中更多的是由於結構失穩或外部侵入而發生的外短路；由於藍膜、膠層和鋁合金在沖擊下韌性明顯下降，更易發生失效破壞，而這些失效形式是導致模組發生外短路的關鍵因素，進而使得模組壓降對應的力和位移的響應在准靜態和存在較大差異。

圖18 某工況下單體力-位移-電壓曲線

通過模組多工況試驗標定，建立模組有限元模型。

圖19 模組有限元模型

4）電池包層級研究

通過對鋰離子從卷芯到單體到模組的研究，對電池本身具備充分的了解，包括電池在沖擊下的變形和失效規律，內部損傷發生的歷程和機理，在發生嚴重損傷前所能承受的載荷、變形、能量等的最大限度，以及損傷發生過程中機電熱的相互耦合和作用關系等。基於模擬模型，便可以開展多工況下電池包層級的研究與對標工作。

圖20 電池包系統多工況研究

在新能源 汽車 安全開發過程中，電池包作為更加復雜的系統，不同的試驗工況下，會有多種不同的失效形式，其產生的原因和所造成的危害也不盡相同。

圖21 常見的動力電池失效形式

5、結語

鋰離子電池憑借其能量密度大、循環壽命長、充電效率高等優點，被廣泛應用於純電動或混合動力 汽車 的儲能系統。然而，鋰離子電池在能量密度迅速增長的同時，對於整車的安全性設計又提出了新的挑戰。特別是在經受復雜且嚴峻的碰撞工況時，為最大程度地發揮電池系統防護結構的作用，最大限度地在碰撞防護和輕量化設計之間尋求平衡，必須首先深入研究鋰離子電池的機械性質和碰撞安全性，不但能夠對新能源車輛設計和製造提出指導性的建議，也有利於新能源車輛的後期維護和事故處理等工作的進行。

為解決電池單體在機械載入下的力學響應與損傷行為預測問題，開發預測電池包力學響應和失效行為的工具，最終服務於電動 汽車 碰撞安全設計，第一階段針對典型的車用動力電池開展了從卷芯到單體再到模組共三個層次，逐步深入的研究。每個層次的研究又分為試驗和模擬兩個方面，通過不同載入方向、不同載入速度的試驗來研究卷芯、單體和模組的各向異性和應變率效應，以及載入方向和載入速度的不同給動力電池變形行為和失效行為帶來的影響，全面認識動力電池在不同載荷工況下的響應規律和內在失效機理；藉助對試驗結果的認知，開發能夠表徵其應變率效應、各向異性和失效行為的卷芯模型，並以卷芯模型為基礎，逐級向上開發兼顧模擬精度和計算效率的電池單體模型和模組模型，以試驗結果為參考對各模擬模型的模擬精度進行驗證，為電動 汽車 電池包碰撞安全保護的開發提供虛擬模擬工具。

⑶ 動力電池主要類型有哪些類型

動力電池主要有鎳鈷錳酸鋰電電池、錳酸鋰電池，磷酸鐵鋰電池等幾種類型：

一、鎳鈷錳酸鋰電池

鎳鈷錳酸鋰三元材料由於鈷的資源缺乏與鎳、鈷成高和價格波動大等原因，普遍認為很難成為電動汽車用動力型鋰離子電池的主流，但可以與尖晶石錳酸鋰在一定范圍內混合使用。

二、錳酸鋰電池

錳酸鋰電池是指正極使用錳酸鋰材料的電池，是一種成本低、安全性和低溫性能好的正極材料，但是其材料本身並不太穩定，容易分解產生氣體，因此多用於和其它材料混合使用，以降低電芯成本。

但其循環壽命衰減較快，容易發生鼓脹，高溫性能較差、壽命相對短，主要用於大中型號電芯，動力電池方面，其標稱電壓為3.7V。

三、磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。其中鈷酸鋰是目前絕大多數鋰離子電池使用的正極材料。

優點：

鋰離子動力電池有以下優點：工作電壓高；比能量大；體積小；質量輕；循環壽命長；自放電率低；無記憶效應；無污染等。

鎳氫充電電池：利用鎳氫電池可快速充放電過程，當汽車高速行駛時，發電機所發的電可儲存在車載的鎳氫電池中，當車低速行駛時，通常會比高速行駛狀態消耗大量的汽油。

燃料電池：一種將化學能直接轉化為電能的裝置，他的正極是氧電極，負極是氫或碳氫化合物或乙醇等燃料電極。

鉛酸蓄電池：廣泛用作內燃機汽車的起動動力源。它可靠性好、原材料易得、價格便宜；比功率也基本上能滿足電動汽車的動力性要求。

鈉硫蓄電池：鈉硫蓄電池是可大電流、高功率放電。瞬時間可放出其3倍的固有能量，充放電效率高。

⑷ 磷酸鐵鋰電池與錳酸鋰電池的區別

1、磷酸鐵鋰電池是用來做鋰離子二次電池的，循環壽命達到2000次以上，比錳酸鋰電池長很多。

2、磷酸鐵鋰電池在600°高溫下仍然穩定，錳酸鋰電池要差許多。

3、錳酸鋰電池的價格高昂，磷酸鐵鋰電池要低很多。

4、磷酸鐵鋰耐過充到100％都不會起火爆炸；鋰電池達到規定數值就會析氣鼓脹。

(4)錳酸鋰常用的表徵方法擴展閱讀

磷酸鐵鋰電池的特性：

磷酸鐵鋰電池無論處於什麼狀態，可隨充隨用，無須先放完再充電。但磷酸鐵鋰的振實密度與壓實密度很低，電池成品率低，一致性差。

錳酸鋰電池的特性：

錳酸鋰電池是指正極使用錳酸鋰材料的電池，其標稱電壓達到3.8V，是目前主流的動力電池。這種電池能量密度中等，壽命一般，安全環保，沒有專利限制。

參考資料

網路-錳酸鋰電池

網路-磷酸鐵鋰電池

⑸ 關於材料方面的文獻

尖晶石型錳酸鋰正極材料的合成及電化學性能研究 在線閱讀 整本下載 分章下載 分頁下載

【英文題名】 The Study of Electrochemistry Performance for Synthesize Spinel Li-Mn-O Materials on the Lithium-ion Battery
【作者】 盧星河;
【導師】 唐致遠;
【學位授予單位】 天津大學;
【學科專業名稱】 應用化學
【學位年度】 2005
【論文級別】 博士
【網路出版投稿人】 天津大學
【網路出版投稿時間】 2007-07-10
【關鍵詞】 鋰離子電池; 正極材料; 尖晶石型錳酸鋰; 陰陽離子復合摻雜; 包覆改性; 電化學性能; 高溫性能;
【英文關鍵詞】 lithium-ion battery; cathode material; spinel LiMn_2O_4; doping; surface modification; electrochemical performance; elevated temperature performance;
【中文摘要】 鋰離子電池因質量比容量大、平均開路電壓高和循環壽命長等優點已廣泛應用於移動、攜帶型電器。目前鋰離子電池的正極材料主要採用層狀鈷酸鋰。由於鈷資源的短缺、大電流充放電和高溫環境使用的不安全因素,研究開發新一代高性能正極材料成為一項重要課題。尖晶石型LiMn_2O_4材料具有原料資源豐富、易制備和環境友好等優點,特別是因為充放電電壓高、循環性能好、比容量高和使用安全等優良的電化學性能,該材料成為本研究的重點: 本研究首先對尖晶石型錳酸鋰正極材料的研究現狀、存在問題和解決方案等進行了較系統的探討,先後制定了多項改善和提高尖晶石型錳酸鋰電化學性能的措施。合成研究了分別和同時摻雜陰、陽離子正極材料Li_(1.02)M_xMn_(2-x)Q_yO_(4-y)的充放電比容量、循環性能、高溫(55℃)性能和大電流充放電性能等,表徵了合成材料的晶體結構、表觀形態、粒徑及粒徑分布規律,進一步探討了表麵包覆(修飾)改性和電解液及其組成對錳酸鋰正極材料的作用和影響。 以實驗室合成的尖晶石型錳酸鋰LiCo_xCr_yMn_(2-x-y)O_4材料為母體材料,以SiO_2...
【英文摘要】 The lithium-ion batteries have been widely used in portable electronic procts such as, cell phones, notebook computers and cameras because of its high-capacity (2.5 times as large as the Ni-Cd batteries and 1.5 times as large as the Ni-MH batteries) and high average open voltage, that is, 3.7 V in contrast with the 1.2V of Ni-MH batteries. In the near future, the lithium-ion battery will used in the motive-batteries. As key parts of the battery,the anode and cathode have become one of the hott...
【DOI】 CNKI:CDMD:1.2007.078634
【更新日期】 2007-07-25

【相同導師文獻】 導師：唐致遠 導師單位：天津大學 學位授予單位：天津大學
[1] 高飛.鋰離子電池正極材料LiFePO_4的合成與電化學性能研究[D]. 中國博士學位論文全文資料庫,2008,(08)
[2] 黃娟.循環冷卻水新型加酸工藝配方的研究[D]. 中國優秀碩士學位論文全文資料庫,2008,(08)
[3] 常林榮.鋁輕型板柵在鉛酸電池中的應用及聚苯胺的電化學合成[D]. 中國優秀碩士學位論文全文資料庫,2008,(08)
[4] 穆雪梅.新型高效氧電極催化劑的研究與評價[D]. 中國優秀碩士學位論文全文資料庫,2008,(08)
[5] 邱瑞玲.固相法合成LiFePO_4及其改性研究[D]. 中國優秀碩士學位論文全文資料庫,2008,(08)
[6] 王倩.柔性紙質電池的研製[D]. 中國優秀碩士學位論文全文資料庫,2008,(08)
[7] 趙松鶴.鋰離子電池負極材料鈦酸鋰的研究[D]. 中國優秀碩士學位論文全文資料庫,2008,(08)
[8] 張聯忠.兩種鋰離子電池負極材料的研究[D]. 中國優秀碩士學位論文全文資料庫,2006,(08)
[9] 肖成偉.車用鋰離子動力電池循環性能的研究[D]. 中國優秀碩士學位論文全文資料庫,2007,(08)
[10] 樊勇利.鋰離子電池正極材料氧化鎳鈷錳鋰的研究[D]. 中國優秀碩士學位論文全文資料庫,2007,(08)

⑹ 鋰電池都有哪些物料

我也不是特別清楚，找到一篇，看看是否對您有幫助。祝您順利。

鋰離子電池(Li-ion Batteries)是鋰電池發展而來。所以在介紹Li-ion之前，先介紹鋰電池。舉例來講，以前照相機里用的扣式電池就屬於鋰電池。鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫醯氯，負極是鋰。電池組裝完成後電池即有電壓,不需充電.這種電池也可能充電,但循環性能不好,在充放電循環過程中,容易形成鋰枝晶,造成電池內部短路,所以一般情況下這種電池是禁止充電的。後來，日本索尼公司發明了以炭材料為負極，以含鋰的化合物作正極，在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出， 又運動回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。在Li-ion的充放電過程中，鋰離子處於從正極→負極→正極的運動狀態。Li-ion Batteries就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象運動員一樣在搖椅來回奔跑。所以Li-ion Batteries又叫搖椅式電池。

鋰離子電池電池組成部分

（1）電池上下蓋

（2）正極——活性物質一般為氧化鋰鈷

（3）隔膜——一種特殊的復合膜

（4）負極——活性物質為碳

（5）有機電解液

（6）電池殼（分為鋼殼和鋁殼兩種）

鋰離子電池優缺點

鋰離子電池具有以下優點：

1） 電壓高，單體電池的工作電壓高達3.6-3.9V，是Ni-Cd、Ni-H電池的3倍

2） 比能量大，目前能達到的實際比能量為100-125Wh/kg和240-300Wh/L（2倍於Ni-Cd，1.5倍於Ni-MH）,未來隨著技術發展,比能量可高達150Wh/kg和400 Wh/L

3） 循環壽命長,一般均可達到500次以上,甚至1000次以上.對於小電流放電的電器,電池的使用期限 將倍增電器的競爭力.

4） 安全性能好,無公害,無記憶效應.作為Li-ion前身的鋰電池,因金屬鋰易形成枝晶發生短路,縮減了其應用領域：Li-ion中不含鎘、鉛、汞等對環境有污染的元素：部分工藝（如燒結式）的Ni-Cd電池存在的一大弊病為「記憶效應」，嚴重束縛電池的使用，但Li-ion根本不存在這方面的問題。

5） 自放電小，室溫下充滿電的Li-ion儲存1個月後的自放電率為10%左右，大大低於Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。

6) 可快速充放電，1C充電是容量可以達到標稱容量的80%以上。

7) 工作溫度范圍高，工作溫度為-25~45°C，隨著電解質和正極的改進，期望能擴寬到-40~70°C。

鋰離子電池也存在著一定的缺點，如：

1） 電池成本較高。主要表現在正極材料LiCoO2的價格高（Co的資源較小），電解質體系提純困難。

2） 不能大電流放電。由於有機電解質體系等原因，電池內阻相對其他類電池大。故要求較小的放電電流密度，一般放電電流在0.5C以下，只適合於中小電流的電器使用。

3） 需要保護線路控制。

A、 過充保護：電池過充將破壞正極結構而影響性能和壽命；同時過充電使電解液分解，內部壓力過高而導致漏液等問題；故必須在4.1V-4.2V的恆壓下充電；

B、 過放保護：過放會導致活性物質的恢復困難，故也需要有保護線路控制。
摘要：綜述了鋰離子電池的發展趨勢，簡述了鋰離子電池的充放電機理理論研究狀況，總結歸納了作為核心技術的鋰電池正負電極材料的現有的制備理論和近來發展動態，評述了正極材料和負極材料的各種制備方法和發展前景，重點介紹了目前該領域的問題和改進發展情況。

材料

電子信息時代使對移動電源的需求快速增長。由於鋰離子電池具有高電壓、高容量的重要優點，且循環壽命長、安全性能好，使其在攜帶型電子設備、電動汽車、空間技術、國防工業等多方面具有廣闊的應用前景，成為近幾年廣為關注的研究熱點。鋰離子電池的機理一般性分析認為,鋰離子電池作為一種化學電源，指分別用兩個能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負極構成的二次電池。當電池充電時，鋰離子從正極中脫嵌，在負極中嵌入，放電時反之。鋰離子電池是物理學、材料科學和化學等學科研究的結晶。鋰離子電池所涉及的物理機理,目前是以固體物理中嵌入物理來解釋的,嵌入（intercalation）是指可移動的客體粒子（分子、原子、離子）可逆地嵌入到具有合適尺寸的主體晶格中的網路空格點上。電子輸運鋰離子電池的正極和負極材料都是離子和電子的混合導體嵌入化合物。電子只能在正極和負極材料中運動[4][5][6]。已知的嵌入化合物種類繁多，客體粒子可以是分子、原子或離子．在嵌入離子的同時，要求由主體結構作電荷補償，以維持電中性。電荷補償可以由主體材料能帶結構的改變來實現，電導率在嵌入前後會有變化。鋰離子電池電極材料可穩定存在於空氣中與其這一特性息息相關。嵌入化合物只有滿足結構改變可逆並能以結構彌補電荷變化才能作為鋰離子電池電極材料。

控制鋰離子電池性能的關鍵材料——電池中正負極活性材料是這一技術的關鍵，這是國內外研究人員的共識。

1 正極材料的性能和一般制備方法

正極中表徵離子輸運性質的重要參數是化學擴散系數,通常情況下，正極活性物質中鋰離子的擴散系數都比較低。鋰嵌入到正極材料或從正級材料中脫嵌，伴隨著晶相變化。因此，鋰離子電池的電極膜都要求很薄，一般為幾十微米的數量級。正極材料的嵌鋰化合物是鋰離子電池中鋰離子的臨時儲存容器。為了獲得較高的單體電池電壓，傾向於選擇高電勢的嵌鋰化合物。正極材料應滿足：

1）在所要求的充放電電位范圍內，具有與電解質溶液的電化學相容性；

2）溫和的電極過程動力學；

3）高度可逆性；

4）全鋰化狀態下在空氣中的穩定性。

研究的熱點主要集中在層狀LiMO2和尖晶石型LiM2O4結構的化合物及復合兩種M（M為Co，Ni，Mn，V等過渡金屬離子）的類似電極材料上。作為鋰離子電池的正極材料，Li＋離子的脫嵌與嵌入過程中結構變化的程度和可逆性決定了電池的穩定重復充放電性。正極材料制備中，其原料性能和合成工藝條件都會對最終結構產生影響。多種有前途的正極材料，都存在使用循環過程中電容量衰減的情況，這是研究中的首要問題。已商品化的正極材料有Li1－xCoO2（0<x<0．8），Li1－xNiO2（0<x<0．8），LiMnO2[7][8]。它們作為鋰離子電池正極材料各有優劣。鋰鈷氧為正極的鋰離子電池具有開路電壓高，比能量大，循環壽命長，能快速充放電等優點，但安全性差；鋰鎳氧較鋰鈷氧價格低廉，性能與鋰鈷氧相當，具有較優秀的嵌鋰性能，但制備困難；而鋰錳氧價格更為低廉，制備相對容易，而且其耐過充安全性能好，但其嵌鋰容量低，並且充放電時尖晶石結構不穩定。從應用前景來看，尋求資源豐富、價廉、無公害，還有在過充電時對電壓控制和電路保護的要求較低等優點的，高性能的正極材料將是鋰離子電池正極材料研究的重點。國外有報道LiVO2亦能形成層狀化合物，可作為正極電極材料[9]。從這些報道看出，雖然電極材料化學組成相同，但制備工藝發生變化後，其性能改變較多。成功的商品化電極材料在制備工藝上都有其獨到之處，這是國內目前研究的差距所在。各種制備方法優缺點列舉如下。

1）固相法一般選用碳酸鋰等鋰鹽和鈷化合物或鎳化合物研磨混合後，進行燒結反應[10]。此方法優點是工藝流程簡單，原料易得，屬於鋰離子電池發展初期被廣泛研究開發生產的方法，國外技術較成熟；缺點是所製得正極材料電容量有限，原料混合均勻性差，制備材料的性能穩定性不好，批次與批次之間質量一致性差。

2）絡合物法用有機絡合物先制備含鋰離子和鈷或釩離子的絡合物前驅體，再燒結制備。該方法的優點是分子規模混合，材料均勻性和性能穩定性好，正極材料電容量比固相法高，國外已試驗用作鋰離子電池的工業化方法，技術並未成熟，國內目前還鮮有報道。

3）溶膠凝膠法利用上世紀70年代發展起

來的制備超微粒子的方法，制備正極材料，該方法具備了絡合物法的優點，而且制備出的電極材料電容量有較大的提高，屬於正在國內外迅速發展的一種方法。缺點是成本較高，技術還屬於開發階段[11]。

4）離子交換法Armstrong等用離子交換法制備的LiMnO2，獲得了可逆放電容量達270mA·h/g高值，此方法成為研究的新熱點，它具有所制電極性能穩定，電容量高的特點。但過程涉及溶液重結晶蒸發等費能費時步驟，距離實用化還有相當距離。

正極材料的研究從國外文獻可看出,其電容量以每年30～50mA·h/g的速度在增長，發展趨向於微結構尺度越來越小，而電容量越來越大的嵌鋰化合物，原材料尺度向納米級挺進，關於嵌鋰化合物結構的理論研究已取得一定進展，但其發展理論還在不斷變化中。困擾這一領域的鋰電池電容量提高和循環容量衰減的問題，已有研究者提出添加其它組分來克服的方法[12][13][14][15][16][17]。但就目前而言，這些方法的理論機理並未研究清楚，導致日本學者Yoshio.Nishi認為，過去十年以來在這一領域實質進展不大[1]，急須進一步地研究。

2 負極材料的性能和一般制備方法

負極材料的電導率一般都較高，則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰的化合物，如各種碳材料和金屬氧化物。可逆地嵌入脫嵌鋰離子的負極材料要求具有：

1）在鋰離子的嵌入反應中自由能變化小；

2）鋰離子在負極的固態結構中有高的擴散率；

3）高度可逆的嵌入反應；

4）有良好的電導率；

5）熱力學上穩定，同時與電解質不發生反應。

研究工作主要集中在碳材料和具有特殊結構的其它金屬氧化物。石墨、軟碳、中相碳微球已在國內有開發和研究，硬碳、碳納米管、巴基球C60等多種碳材料正在被研究中[18][19][20][21][22][23]。日本Honda Researchand Development Co．，Ltd的K．Sato等人利用聚對苯撐乙烯（Polyparaphenylene——PPP）的熱解產物PPP－700（以一定的加熱速度加熱PPP至700℃，並保溫一定時間得到的熱解產物）作為負極，可逆容量高達680mA·h/g。美國MIT的MJMatthews報道PPP－700儲鋰容量（Storagecapacity）可達1170mA·h/g。若儲鋰容量為1170mA·h/g，隨著鋰嵌入量的增加，進而提高鋰離子電池性能，筆者認為今後研究將集中於更小的納米尺度的嵌鋰微結構。幾乎與研究碳負極同時，尋找電位與Li＋／Li電位相近的其他負極材料的工作一直受到重視。鋰離子電池中所用碳材料尚存在兩方面的問題：

1）電壓滯後，即鋰的嵌入反應在0～0．25V之間進行（相對於Li＋／Li）而脫嵌反應則在1V左右發生；

2）循環容量逐漸下降，一般經過12～20次循環後，容量降至400～500mA·h/g。

理論上的進一步深化還有賴於各種高純度、結構規整的原料及碳材料的制備和更為有效的結構表徵方法的建立。日本富士公司開發出了鋰離子電池新型錫復合氧化物基負極材料，除此之外，已有的研究主要集中於一些金屬氧化物，其質量比能量較碳負極材料大大提高。如SnO2，WO2，MoO2，VO2，TiO2，LixFe2O3，Li4Ti5O12，Li4Mn5O12等[24]，但不如碳電極成熟。鋰在碳材料中的可逆高儲存機理主要有鋰分子Li2形成機理、多層鋰機理、晶格點陣機理、彈性球－彈性網模型、層－邊端－表面儲鋰機理、納米級石墨儲鋰機理、碳－鋰－氫機理和微孔儲鋰機理。石墨，作為碳材料中的一種，早就被發現它能與鋰形成石墨嵌入化合物（Graphite Intercalation Compounds）LiC6，但這些理論還處於發展階段。負極材料要克服的困難也是一個容量循環衰減的問題，但從文獻可知，制備高純度和規整的微結構碳負極材料是發展的一個方向。

一般制備負極材料的方法可綜述如下。

1）在一定高溫下加熱軟碳得到高度石墨化的碳；嵌鋰石墨離子型化合物分子式為LiC6，其中的鋰離子在石墨中嵌入和脫嵌過程動態變化，石墨結構與電化學性能的關系，不可逆電容量損失原因和提高方法等問題，都得到眾多研究者的探討。2）將具有特殊結構的交聯樹脂在高溫下分解得到的硬碳,可逆電容量比石墨碳高，其結構受原料影響較大，但一般文獻認為這些碳結構中的納米微孔對其嵌鋰容量有較大影響，對其研究主要集中於利用特殊分子結構的高聚物來制備含更多納米級微孔的硬碳[25][26][27]。

3）高溫熱分解有機物和高聚物制備的含氫碳[28][29]。這類材料具有600～900mA·h/g的可逆電容量，因而受到關注，但其電壓滯後和循環容量下降的問題是其最大應用障礙。對其制備方法的改進和理論機理解釋將是研究的重點。

4）各種金屬氧化物其機理與正極材料類似[24]，

也受到研究者的注意，研究方向主要是獲取新型結構或復合結構的金屬氧化物。

5）作為一種嵌鋰材料，碳納米管、巴基球C60等也是當前研究的一個新熱點，成為納米材料研究的一個分支。碳納米管、巴基球C60的特殊結構使其成為高電容量嵌鋰材料的最佳選擇[22][23][30]。從理論上說，納米結構可提供的嵌鋰容量會比目前已有的各種材料要高，其微觀結構已被廣泛研究並取得了很大進展，但如何制備適當堆積方式以獲得優異性能的電極材料，這應是研究的一個重要方向[31][32][33]。

3 結語

綜上所述，近年來鋰離子電池中正負極活性材料的研究和開發應用，在國際上相當活躍，並已取得很大進展。材料的晶體結構規整，充放電過程中結構不發生不可逆變化是獲得比容量高，循環壽命長的鋰離子電池的關鍵。然而，對嵌鋰材料的結構與性能的研究仍是該領域目前最薄弱的環節。鋰離子電池的研究是一類不斷更新的電池體系，物理學和化學的很多新的研究成果會對鋰離子電池產生重大影響，比如納米固體電極，有可能使鋰離子電池有更高的能量密度和功率密度，從而大大增加鋰離子電池的應用范圍。總之，鋰離子電池的研究是一個涉及化學、物理、材料、能源、電子學等眾多學科的交叉領域。目前該領域的進展已引起化學電源界和產業界的極大興趣。可以預料，隨著電極材料結構與性能關系研究的深入，從分子水平上設計出來的各種規整結構或摻雜復合結構的正負極材料將有力地推動鋰離子電池的研究和應用。鋰離子電池將會是繼鎳鎘、鎳氫電池之後，在今後相當長一段時間內，市場前景最好、發展最快的一種二次電池。

電池的分類有不同的方法其分類方法大體上可分為三大類
第一類：按電解液種類劃分包括：鹼性電池，電解質主要以氫氧化鉀水溶液為主的電池，如：鹼性鋅錳電池（俗稱鹼錳電池或鹼性電池）、鎘鎳電池、氫鎳電池等；酸性電池，主要以硫酸水溶液為介質，如鉛酸蓄電池；中性電池，以鹽溶液為介質，如鋅錳干電池（有的消費者也稱之為酸性電池）、海水激活電池等；有機電解液電池，主要以有機溶液為介質的電池，如鋰電池、鋰離子電池待。

第二類：按工作性質和貯存方式劃分包括：一次電池，又稱原電池，即不能再充電的電池，如鋅錳干電池、鋰原電池等；二次電池，即可充電電池，如氫鎳電池、鋰離子電池、鎘鎳電池等；蓄電池習慣上指鉛酸蓄電池，也是二次電池；燃料電池，即活性材料在電池工作時才連續不斷地 從外部加入電池，如氫氧燃料電池等；貯備電池，即電池貯存時不直接接觸電解液，直到電池使用時，才加入電解液，如鎂－氯化銀電池又稱海水激活電池等。

第三類：按電池所用正、負有為材料劃分包括：鋅系列電池，如鋅錳電池、鋅銀電池等；鎳系列電池，如鎘鎳電池、氫鎳電池等；鉛系列電池，如鉛酸電池等；鋰系列電池、鋰鎂電池；二氧化錳系列電池，如鋅錳電池、鹼錳電池等；空氣（氧氣）系列電池，如鋅空電池等

充電電池定義
充電電池又稱：蓄電池、二次電池，是可以反復充電使用的電池。常見的有：鉛酸電池（用於汽車時，俗稱「電瓶」）、鎘鎳電池、氫鎳電池、鋰離子電池。

電池的額定容量
電池的額定容量指在一定放電條件下，電池放電至截止電壓時放出的電量。IEC標准規定鎳鎘和鎳氫電池在20±5℃環境下，以0.1C充電16小時後以0.2C放電至1.0V時所放出的電量為電池的額定容量。單位有Ah, mAh (1Ah=1000mAh)

如何正確使用鋰離子電池？
正確使用鋰離子電池應注意以下幾點：
避免在嚴酷條件下使用，如：高溫、高濕度、夏日陽光下長時間暴曬等，避免將電池投入火中；
裝、拆電池時，應確保用電器具處於電源關閉狀態；使用溫度應保持在－20~55℃之間；
避免將電池長時間「存放」在停止使用的用電器具中；