鋰電池是20世紀(jì)開發(fā)成功的新型高能電池，可以理解為含有鋰元素（包括金屬鋰、鋰合金、鋰離子、鋰聚合物）的電池，可分為鋰金屬電池（極少的生產(chǎn)和使用）和鋰離子電池（現(xiàn)今大量使用）。因其具有比能量高、電池電壓高、工作溫度范圍寬、貯存壽命長等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于軍事和民用小型電器中，如移動電話、便攜式計算機、攝像機、照相機等，部分代替了傳統(tǒng)電池。

鋰離子電池(Li-ion Batteries)是鋰電池發(fā)展而來。所以在介紹Li-ion之前，先介紹鋰電池。舉例來講，紐扣式電池就屬于鋰電池。鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫酰氯，負(fù)極是鋰。電池組裝完成后電池即有電壓，不需充電。這種電池也可以充電，但循環(huán)性能不好，在充放電循環(huán)過程中，容易形成鋰枝晶，造成電池內(nèi)部短路，所以一般情況下這種電池是禁止充電的。

后來，日本索尼公司發(fā)明了以炭材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極的鋰電池，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。

20世紀(jì)90年代初，日本Sony能源開發(fā)公司和加拿大Moli能源公司分別研制成功了新型的鋰離子蓄電池，不僅性能良好，而且對環(huán)境無污染。隨著信息技術(shù)、手持式機械和電動汽車的迅猛發(fā)展，對高效能電源的需求急劇增長，鋰電池已成為目前發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域之一。

早期在設(shè)計鋰離子電池的時候，研發(fā)人員主要從正極、負(fù)極、電解液著手考慮設(shè)計。根據(jù)材料的組合，共計有一億一千萬種組合，而實際應(yīng)用的，僅有30余種，不足30ppm，這不禁使我們?nèi)ハ耄瑸槭裁粗挥羞@么少的組合可以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化？研究人員發(fā)現(xiàn)，如何把正負(fù)極活性物質(zhì)收束在容器里，是一個很大的難題。

前期，研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)，鋰二次電池和鎳氫電池可以實現(xiàn)能量的儲存與轉(zhuǎn)移，但是儲氫合金太重，鋰二次電池因為充放電過程中會形成鋰枝晶（dendrite），且易燃燒。

研發(fā)人員根據(jù)存在的困難，先后研發(fā)提出多種構(gòu)想，并檢討這些材料。比如，采用合金：AL、伍德合金（Bi50%、Pb26.7%、Sn13.3%、cd10% mp 70℃）、carbon等材料。經(jīng)過一系列的檢討，人們發(fā)現(xiàn)AL循環(huán)不好，伍德合金的cd污染環(huán)境，而C則是一個較好的選擇，可是C/Li合金制造在工業(yè)上又難以實現(xiàn)。

人們根據(jù)電池的特性，對電池的正極材料做了定義：需要含Li的正極，且能保證Li能自由出入。

早期，索尼的一次電池中，使用的是氧化銀電池，AgNiO2，NiO2為層狀，Ag脫嵌相對容易，這一使用原理與當(dāng)時已經(jīng)申請專利的LiNiO2/LiCoO2相同，但其使用了金屬鋰作為負(fù)極。

以LiCoO2為例，主要原理如下：

正極為LiCoO2，為保持中性，存在著等量的電子和鋰離子。

充電情況下，鋰離子從正極材料脫嵌，穿過電解液和隔膜，來到負(fù)極，負(fù)極為保持中性，等量的電子，從外部電路流向負(fù)極。

放電則相反，鋰離子從負(fù)極回到正極，電流從外電路回到正極。

基于電池的特性以及顧客需求，研發(fā)人員們進(jìn)行了一系列的探索，并把很多構(gòu)想實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，為廣大消費者所接受。

 二.負(fù)極材料  

由上面的介紹可知，主要討論了石墨（graphite）和碳類材料（carbonaceous materials）。石墨為層狀結(jié)構(gòu)，碳又分為soft carbon，熱處理后可變成相對規(guī)則的層狀，而hard carbon即使熱處理，結(jié)構(gòu)也很難發(fā)生變化，D002約等于0.38。石墨的d002等于0.335，嵌鋰后擴大為0.372，因此存在著膨脹造成的內(nèi)部擠壓。

而石墨類的則因為膨脹，內(nèi)部會擠壓變形。

雖然hard carbon結(jié)構(gòu)上優(yōu)于石墨，但是正是由于其密度小，層間距大，首效低，大概85%，電壓平臺3.6V低于石墨的3.7V，故而選擇了石墨作為負(fù)極。

作為鋰電池，需要考量的因素主要有以下四點：

1.體積能量密度，很多情況下，體積是給定的，僅用重量能量密度，難以衡量判斷；

2.平均電壓，WH比AH更重要；

3.非可逆容量，也就是我們說的首效；

4.CUT OFF電壓附近的容量。

石墨負(fù)極理論極限372mAh/g，商業(yè)化已經(jīng)快接近極限，故而需要開發(fā)新一代高容量的負(fù)極材料。硅類負(fù)極和LTO就開始研發(fā)。硅類負(fù)極最主要的問題是嵌鋰后膨脹，約300%。LTO雖然循環(huán)好、倍率好、放電曲線平坦，但是電壓低，能量密度低。

根據(jù)專家介紹，硅碳復(fù)合材料，以及硫與鋰金屬負(fù)極的材料將是提升負(fù)極能量密度的可選材料。

 三.正極材料   

說完了負(fù)極，我們說說正極材料的發(fā)展歷程。

這時一張行業(yè)內(nèi)人士都知道的對比圖，從磷酸鐵鋰，到鈷酸鋰，到三元材料。如上負(fù)極材料所述，如果負(fù)極的容量得到較大的提升，那么高容量正極材料的開發(fā)就迫在眉睫。

磷酸鐵鋰大家都知道，他的放電曲線平坦、循環(huán)性能佳、安全性好，但是電壓沒有鈷酸鋰高。據(jù)德國一家調(diào)查協(xié)會發(fā)布的數(shù)據(jù)，鈷酸鋰的市場占有量在逐漸下降，三元材料逐漸增加，從鈷酸鋰到三元材料的改變，一是成本的考慮，大約會下降60%，鎳和錳的價格，低于鈷的價格，且資源相對豐富易得；二是尋求一個權(quán)衡點，三元材料中鎳鈷錳有著各自的作用，鎳：提升容量，鈷：提升循環(huán)，錳：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，保證安全。

那么，下一代正極材料該怎么發(fā)展？傳統(tǒng)的材料都是一個分子對應(yīng)一個鋰離子，能否在一個分子里面放入多個鋰離子？答案是肯定的，于是有了富鋰錳基材料，錳有著良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而通過大量的鋰離子，來提升容量。

 四.LPB電池  

出于安全性和提升能量密度的角度，很多學(xué)校、企業(yè)也發(fā)表了很多鋰離子聚合物電池（LPB）的文章、報道。傳統(tǒng)的電池中，隔膜與正極材料直接接觸，長時間的接觸，會導(dǎo)致隔膜表面發(fā)生一些變化，影響電池內(nèi)阻等性能。而鋰聚合物電池，特別是最近很火熱的固態(tài)電池，則將隔膜和正極分開，減少了對電池性能的影響。

根據(jù)專家的解釋，現(xiàn)階段對于人們所擔(dān)心的能量密度和離子傳導(dǎo)能力低的問題，日本相當(dāng)企業(yè)已經(jīng)提出解決方案，現(xiàn)階段出于成本考慮，還需要進(jìn)一步優(yōu)化。聚合物電池，能量密度高于傳統(tǒng)的三元電池，更高的電壓平臺（約4.4V），對電池的鼓脹有很好的抑制作用。

高溫存儲下，容量保持率87%優(yōu)于三元電池的61.1%。

良好的循環(huán)性能。

 五.一些思考

作為鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)軍人物，也在演講上給我們分享了一些心得體會，提出一些論點。根據(jù)地球鋰資源的儲存量，目前尚不需要擔(dān)心鋰的缺乏導(dǎo)致的成本升高。對于材料的發(fā)展路線，也提出了一些路線供我們參考。電池的發(fā)展路線

對于提高鋰離子電池的安全性上，應(yīng)該從幾個方面進(jìn)行考量。

1.微小短路；

2.電極的不均一（如涂布面密度的不均一）；

3.大面積下，正負(fù)極如何更好地緊密的貼合；

4.如何進(jìn)行安全性測試，特別是對于現(xiàn)在越做越大的電池；

5.軟包電池是否容易放熱，如何進(jìn)行熱管理。

 六.總結(jié)     

雖然行業(yè)的發(fā)展面臨著很多困難，但是我們堅信，唯有不斷鉆研，才能取得輝煌的成果。在新能源汽車電池的研發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用中，應(yīng)不斷加深行業(yè)內(nèi)交流，唯有合作，才能共贏。