鋰離子電池優缺點及改進思路

宋澤宇

摘 要：鋰離子電池是目前被最為廣泛利用的一種二次電池，其具有能量密度大、自放電率低、電勢差高、循環壽命長等諸多優點。我們通過對鋰離子電池的研究，發現其在能量密度及充放電倍率性能方面仍有較大改進空間。我們提出了正負極材料改性等方法從而提高電池能量密度和充放電倍率性能。

關鍵詞：鋰離子電池；改性；能量密度；倍率性能

中圖分類號：TM912 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）24-0069-01

鋰離子電池是目前被最為廣泛利用的一種二次電池，其具有能量密度大、自放電率低、電勢差高、循環壽命長等諸多優點。鋰離子電池已在許多領域實現應用，如手機等電子設備、電動汽車、衛星、飛船、水下機器人等。

1 鋰離子電池原理概述

鋰離子電池是一種可充電電池，其正負極是兩種易發生脫嵌鋰反應的材料，并且該反應可逆。充電時，在外界電場驅使下，正極材料放出Li+，通過電解質傳輸，嵌入負極材料，形成含鋰化合物；放電時則正好相反，Li+從負極脫嵌，嵌入正極，形成含鋰化合物，鋰離子在遷移過程中形成電流。鋰離子電池工作原理，如圖1所示。

正負極電化學反應以LiCoO2-石墨為例：

正極反應：LiCoO2===Lil-xCoO2+xLi十+xe-

負極反應：C6+xLi+xe-===LixC6

與鎳鎘電池、鎳氫電池等二次電池相比，其自放電率低、循環壽命長、安全性能好等優點十分顯著，是迄今為止綜合性能最好的二次電池。

另外傳統的鎳鎘電池因其具有有記憶效應，因而使壽命大大降低，而鋰離子電池則沒有記憶效應。同時，鋰離子電池中重金屬含量小，對環境污染較小，也被譽為：可靠的環保型綠色電池。

2 鋰離子電池內部結構

鋰離子電池跟常規化學電池一樣，組成較為簡單，由四部分構成：正、負電極，電解質，隔膜。

正負電極的材料的化學性質比較活潑，容易實現電能和化學能相互轉換，所以需要“活性物質”來做電池的正負極。

正負極材料不但要活潑，還需結構穩定，才能實現有序的，可控的化學反應。目前常見的正極材料有磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、鎳鈷錳三元材料等。

負極材料通常用石墨或其他碳材料做活性物質（也可使用硅或碳硅化合物）。既要求是好的能量載體，又要結構穩定，且自然界儲量豐富，便于大規模制造。

電解質是溶液或在熔融狀態下易導電的化合物，在鋰離子往復遷移過程中起傳遞作用。通?？蛇x擇有機溶劑和鋰鹽溶質構成的溶液。常見的溶劑包括乙醚、丙烯碳酸酯、乙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。常見的鋰鹽溶質有LiClO4，LiPF6，LiBF4等材料。

隔膜是為了防止正負極材料直接接觸而短路。隔離膜材料是電子絕緣體，同時需要有良好的離子通過性以實現正負極之間的絕緣且不阻礙鋰離子遷移。目前應用較廣泛的隔膜主要有單層膜、雙層膜、三層膜等，如單層PP、PE，雙層PP/PE，三層PP/PE/PP復合膜等。

3 鋰離子電池優缺點分析及缺點改進

雖然鋰離子電池有諸多優點，但仍然在某些方面急需進一步改進。

3.1 提高能量密度

進一步提高能量密度是當前鋰離子電池發展的首要問題。無論是手機還是電動汽車，其當前電池的能量密度都遠不能滿足人類的需求。

要提高能量密度其本質在于提高正負極材料中鋰元素的比例，同時在放電時要讓正極有盡可能多的鋰離子脫嵌，移動到負極，然后在正負極之間往復運動，形成電流。在同一個電池化學體系中，隨著單位質量鋰元素的含量提升，能量密度也會有相應的提升。

同理提高負極活性物質的占比及其比容量，也是提高能力密度重要因素。正極活性物質增加后，如果負極活性物質不能與之匹配，從正極脫嵌出來的富余鋰離子會集中在負極表面，而不是嵌入負極材料內部，會出現不可逆化學反應，導致電池容量迅速衰減。

3.2 提高充放電倍率性能

鋰離子電池的充放電倍率性能，是電池充放電速率的決定因素，其微觀表現就是電池內部的離子遷移能力。我們可以通過提高離子遷移速率、提高電解質離子導電率等方法提高電池倍率性能。

在正極材料處，增加離子通透孔道，給鋰離子留出遷移的空隙，并且盡可能使這些孔道分布均勻，就可以提高離子遷移速率。這就要通過成分及制備方法的調整，結構優化正極材料的微觀組織結構，做到均勻分布。此外，還可以選擇鋰離子擴散系數較大的正極材料，也是改善倍率性能的方法。

負極材料改性因素同樣需要考慮材料的微觀組織結構，減小鋰離子在負極材料中的濃度差，提高鋰離子在負極材料中的擴散能力。近年來針對碳納米材料的研究（納米管、納米線、石墨烯等）有大大進展，其本質在于提高負極材料比表面積，因此逐步取代傳統的負極層狀結構，通過增加負極材料的比表面積、改變內部結構并且增加擴散通道，大幅度提升電池倍率性能。

鋰離子電池內部涉及到幾種不同的物質和物質之間的界面，都會對離子/電子的傳導產生影響。一般在正極活性物質內部會添加一定量的導電劑，可以降低活性物質之間的接觸電阻，提高正極材料的導電率，提升倍率性能。不同的導電劑都會影響電池的內阻，從而影響其倍率性能。電解質與正負極材料的電極界面處的接觸電阻也會影響電池的倍率性能。

4 結語

鋰離子電池在首次循環的過程中，會在負極形成一層固態電解質（SEI）膜，這個膜對鋰離子的擴散有一定的阻礙作用，尤其是大倍率充放電的時候。隨著電池的使用，SEI膜會發生脫落、逐漸沉積在負極表面，導致電池的內阻逐漸增加，成為影響倍率性能的重要因素。因此，控制SEI膜的利用并防止其脫落，對鋰離子電池倍率性能有大大改善。

參考文獻

[1]郭炳昆，徐輝，王先友等.鋰離子電池[M].長沙：中南大學出版社，2002.

[2]詹晉華.鋰離子二次電池的研究進展[J].電池，1996，26（4）：192-195.

[3]胡瑞.鋰離子電池高壓電解液的改性及其電化學性能的研究[D].哈爾濱工業大學，2014.

[4]丁平.鋰離子電池負極材料天然石墨的改性研究[D].浙江大學，2007.

[5]劉新錦，朱亞先，高飛.無機元素化學[M].科學出版社，2010.endprint