高性能鋰電池材料研究和應(yīng)用探討

李文俊

摘要：新能源的發(fā)展。新能源材料之一的鋰離子電池材料就是清潔能源，其能量密度、工作電壓、循環(huán)壽命都優(yōu)于傳統(tǒng)電池，而且對(duì)環(huán)境無污染、綠色環(huán)保。因此很有必要根據(jù)鋰電池的發(fā)展過程，將產(chǎn)品一步步完善，使其更為安全穩(wěn)定，得到更廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高性能鋰電池;材料應(yīng)用;趨勢(shì)

引言

由于電子行業(yè)的迅速發(fā)展，人們對(duì)于鋰電池的需求就越來越大，鋰電池的應(yīng)用在電子行業(yè)不斷擴(kuò)大，主要應(yīng)用在電動(dòng)車、手表以及手機(jī)電腦這些基礎(chǔ)設(shè)備中，甚至有的被應(yīng)用在航空航天方面，鋰電池的應(yīng)用可謂非常的廣泛。通過電子行業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)鋰電池的認(rèn)識(shí)也越來越多，在不斷地發(fā)展過程中，人們對(duì)鋰電池的要求也越來越高。

1高性能鋰電池材料以及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

1.1鋰電池材料的分類

鋰電池分為鋰金屬電池和鋰離子電池，其中鋰離子電池材料根據(jù)采用的正極材料進(jìn)行細(xì)分，分為鋰離子電池有錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池、磷酸鋰電池。鋰離子電池工作原理如下文所述，與具體類型無關(guān)。鋰電池充放電反應(yīng)式：

充電：LiFePO4-xLi+-xe-→xFePO4+（1-x）LiFePO4

放電：FePO4+xLi++xe-→xLiFePO4+（1-x）FePO4

由上述反應(yīng)式可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)反應(yīng)過程沒有消耗電解液，沒有產(chǎn)生氣體，鋰離子只是在充電和放電過程中不斷地游動(dòng)。

1.2鋰電池的優(yōu)勢(shì)

在如今的大時(shí)代背景下，各路精英齊聚，不斷地進(jìn)行科學(xué)研發(fā)。社會(huì)的不斷發(fā)展使人們的生活追求越來越高。所以在現(xiàn)階段電池的發(fā)展并不能滿足人們的需求，在此條件下，鋰電池就應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸在發(fā)展過程中凸顯出其優(yōu)勢(shì)。首先，鋰電池的輸出功率比較大。鋰電池與其他電池相比較，釋放的能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他電池，這也就保證了電子設(shè)備的電池待機(jī)時(shí)間更長(zhǎng)，更有效的保證電子設(shè)備的正常運(yùn)行。其次，鋰電池的效率更高。鋰電池的優(yōu)勢(shì)是能夠快速的充電和釋放電量，這樣就可以節(jié)省出大量的時(shí)間，將時(shí)間更多的運(yùn)用到其他方面，以此來不斷提高人們的工作效率。

鋰電池與其他電池相比，使用的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)一些，而且在使用期間不會(huì)出現(xiàn)其他問題，不需要擔(dān)心發(fā)生故障，從某些方面來說，不僅節(jié)約了時(shí)間而且也節(jié)約了成本。但是在現(xiàn)階段的鋰電池制作時(shí)，其使用的原材料較多且成本較大，這就是在目前階段鋰電池沒有大幅度使用的重要原因之一。鋰電池的制作技術(shù)要求也比較高，對(duì)于制作人員具有較高的專業(yè)要求，這在一定程度上也加大了鋰電池的成本投入。鋰電池屬于大功率物品，在運(yùn)行過程中容易產(chǎn)生高電壓，這就需要專業(yè)的保護(hù)，避免在使用過程中造成危險(xiǎn)。在現(xiàn)在的鋰電池市場(chǎng)中，基本能夠滿足供需平衡，當(dāng)然鋰電池的發(fā)展可以滿足大部分客戶的需求。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們更追求物質(zhì)上的享受，這也就要求物質(zhì)的發(fā)展要跟上人們精神的發(fā)展。

對(duì)于目前階段的鋰電池來說，對(duì)于一些追求更高享受的人來說并不能滿足他們的需。不斷開發(fā)高性能鋰電池，不但可以推動(dòng)電池行業(yè)的發(fā)展，而且還可以推動(dòng)我國電子行業(yè)的發(fā)展，從而提高我國電池行業(yè)和電子行業(yè)在國際市場(chǎng)的占有份額，不斷提高我們的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，提高我們的綜合國力。在我國現(xiàn)在大力提倡環(huán)保的背景下，高性能鋰電池作為一種相對(duì)來說比較環(huán)保的電池，可以進(jìn)行循環(huán)利用，也為我國的環(huán)境發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

2鋰電池材料的發(fā)展過程及存在問題

鋰電池材料最早以硫化鈦為正極材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制備出最為簡(jiǎn)單的鋰電池，但這種電池的技術(shù)需要的精密度很高，產(chǎn)業(yè)無法達(dá)到，未得到廣泛應(yīng)用，但鋰電池材料制成電池成為了重點(diǎn)的研究方向。之后以鋰離子作為研究材料研究出了以鈷酸鋰作為正極材料的電池，隨后研究出的磷酸鐵鋰具有橄欖石型結(jié)構(gòu)，其工作電壓平穩(wěn)、比容量高、放電功率較大、可快速充電且反復(fù)利用的壽命長(zhǎng)、在高溫與高熱環(huán)境下穩(wěn)定性好，成為未來鋰離子電池發(fā)展方向之一。鋰的枝晶生長(zhǎng)、鋰金屬電池低的庫倫效率和鋰的無主體沉積引起的體積膨脹等一些關(guān)鍵問題長(zhǎng)期制約著鋰負(fù)極材料的商業(yè)應(yīng)用。

鋰的每次沉積都會(huì)產(chǎn)生枝晶，在充放電循環(huán)中，鋰枝晶會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，更嚴(yán)重的情況下，還會(huì)引發(fā)爆炸等安全事故，帶來嚴(yán)重的安全問題。除此之外，鋰枝晶的產(chǎn)生還會(huì)增加負(fù)極表面積，新暴露出的鋰金屬會(huì)與電解液發(fā)生一系列的反應(yīng)，生成固態(tài)電解質(zhì)膜，這會(huì)損耗活性材料以及降低電池的庫倫效率。為了解決以上問題，研究者們對(duì)鋰金屬電極在鋰枝晶生長(zhǎng)的機(jī)理方面進(jìn)行了許多探索。從根本尋找可以抑制鋰枝晶產(chǎn)生的方法，但這些抑制方法雖然能夠在一定程度上緩解鋰枝晶的生長(zhǎng)問題，但與商業(yè)化應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)還存在很大的距離。

3高性能鋰電池材料應(yīng)用趨勢(shì)

3.1擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域

在當(dāng)前階段鋰電池的應(yīng)用主要是在電子產(chǎn)品以及少量的航空航天方面，應(yīng)用范圍相對(duì)來說還是比較窄。在未來的發(fā)展中，大量的行業(yè)都需要應(yīng)用到鋰電池，所以鋰電池的發(fā)展前景還是具有非常大的潛力的。

3.2減少成本投入

人們對(duì)鋰電池的需求的要求不斷提高，而對(duì)于研究及制作鋰電池的專業(yè)人才卻非常匱乏，同時(shí)對(duì)于制作鋰電池的一些原材料也不能夠自給自足，導(dǎo)致有些原材料只能通過進(jìn)口來獲得，這不僅提高了成本，而且不利于整個(gè)電池行業(yè)的發(fā)展。對(duì)于現(xiàn)在的電池行業(yè)來說，發(fā)展也只是剛剛開始，未來的發(fā)展任務(wù)十分艱苦。因此，我們國家首先要重視對(duì)于專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)，不斷加大科研投入，給予研發(fā)人員充分的基礎(chǔ)保障。其次，我國要不斷進(jìn)行鋰電池原材料的開發(fā)，首先要滿足我國市場(chǎng)的需求，滿足鋰電池的生產(chǎn)需求，這樣不僅可以節(jié)約制作高性能鋰電池的成本，而且還可以促進(jìn)高性能鋰電池的發(fā)展，同時(shí)推進(jìn)我國電池行業(yè)的發(fā)展。

3.3鋰電池在新能源汽車中的運(yùn)用

在目前各國都在對(duì)環(huán)境大力的保護(hù)下，汽車尾氣是主要污染的源頭之一，為了更好的減少汽車尾氣對(duì)環(huán)境的污染鋰電池的出現(xiàn)正好減少了汽車尾氣對(duì)大氣的污染。目前汽車業(yè)的發(fā)展前景已經(jīng)漸漸的在想新能源電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)變，因此，帶動(dòng)了針對(duì)汽車動(dòng)力研究和開發(fā)新能源。汽車動(dòng)力鋰電池在汽車動(dòng)力方面運(yùn)用相對(duì)較多，鋰電池運(yùn)用在汽車上會(huì)減少污染，且鋰電池的壽命相對(duì)較長(zhǎng)，能量較高可以使汽車動(dòng)力十足等特點(diǎn)。因此，在汽車行業(yè)鋰電池越來越多的被運(yùn)用及使用。但是在研究及開發(fā)時(shí)，鋰電池還存在一些困難的問題沒有得到實(shí)質(zhì)性的解決。

根據(jù)目前導(dǎo)致新能源汽車發(fā)展緩慢最主要原因就是電池動(dòng)力方面，在生產(chǎn)鋰電池是鋰電池的生產(chǎn)成本相對(duì)來說是比較高的。新能源汽車能發(fā)展起來的關(guān)鍵就是在于鋰電池技術(shù)的成熟與否，該研究項(xiàng)目是新能源汽車在市場(chǎng)中戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵點(diǎn)之一，現(xiàn)在鋰電池在電池行業(yè)中對(duì)生產(chǎn)材料要求是非常高的，必須具有很高的安全性和適應(yīng)環(huán)境的能力以及功率的大小，性能的持久能力和最關(guān)鍵的成本要低。新能源產(chǎn)業(yè)汽車要在接下來的發(fā)展過程中保持對(duì)鋰電池的研究和關(guān)注，應(yīng)及時(shí)的知道鋰電池生產(chǎn)技術(shù)能在新能源車電機(jī)上的技術(shù)及動(dòng)力要求，以及效果及時(shí)反饋。根據(jù)對(duì)鋰電池的運(yùn)用及不斷的改造問題進(jìn)行完善與跟進(jìn)，要以提高鋰電池的質(zhì)量，功率、使用壽命、動(dòng)力等問題進(jìn)行解決。需要掌握新能源汽車與鋰電池結(jié)合的技術(shù)，實(shí)時(shí)了解國外以及國內(nèi)一些關(guān)于鋰電池的研究和報(bào)告從而使鋰電池和新能源汽車相結(jié)合減少污染。要求提高關(guān)于鋰電池研究人員的能力以及研發(fā)技術(shù)等，爭(zhēng)取早日形成規(guī)模化、系統(tǒng)化以及生產(chǎn)專業(yè)化的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。當(dāng)前經(jīng)過調(diào)查新能源汽車在使用鋰電池時(shí)汽車動(dòng)力續(xù)航時(shí)間相對(duì)較短，動(dòng)力相對(duì)不足。鋰電池研究人員可以針對(duì)在市場(chǎng)的反饋來進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)完善。早日在鋰電池上取得重要的突破。

在移動(dòng)通訊和便攜式的電器中，鋰電池得到了比較普遍的應(yīng)用。由于環(huán)境方面和能源方面的壓力，以及鋰電池的優(yōu)勢(shì)特征，鋰電池在新能源汽車中也開始得到應(yīng)用，鋰電池將成為未來新能源汽車的一個(gè)主要電源。在2020年的新能源汽車發(fā)展產(chǎn)業(yè)規(guī)劃中，我國明確了純電驅(qū)動(dòng)在汽車產(chǎn)業(yè)中的戰(zhàn)略地位，推廣新能源汽車。這個(gè)規(guī)劃使得汽車行業(yè)進(jìn)入了新的戰(zhàn)略發(fā)展期，并為新能源汽車的動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)提供了巨大的機(jī)遇。

3.4固態(tài)電池材料

固態(tài)電池具有高安全性、長(zhǎng)壽命和高比能量等特點(diǎn)，對(duì)于新能源汽車、化學(xué)儲(chǔ)能和智能電網(wǎng)有大規(guī)模應(yīng)用需求。所以固態(tài)鋰電池技術(shù)在制備過程中的界面阻抗等問題上一旦取得突破，將會(huì)對(duì)相關(guān)領(lǐng)域帶來革命性的變化，并能夠更好地滿足未來新的多種應(yīng)用需求。固態(tài)鋰電池可提升現(xiàn)有鋰電池體系能量密度、安全性和循環(huán)性等技術(shù)，成為全球熱門產(chǎn)業(yè)。美國、歐洲、日本、韓國等地的科研機(jī)構(gòu)很早就開始研究固態(tài)鋰電池材料的制備。中國在技術(shù)研發(fā)方面，產(chǎn)業(yè)化方面，政策引導(dǎo)方面也有所行動(dòng)，為了提升我國固態(tài)鋰電池的技術(shù)開發(fā)能力，我國不斷建設(shè)高水平的國家級(jí)研發(fā)診斷測(cè)試平臺(tái)。并且通過對(duì)優(yōu)勢(shì)團(tuán)隊(duì)的大力支持，迅速提升我國核心團(tuán)隊(duì)在世界范圍的影響力。

4結(jié)語

綜上所述.在我國科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的背景下，對(duì)高性能鋰電池材料研究也不斷深入，未來的高性能鋰電池可以更好的滿足人們的要求，發(fā)揮更多的優(yōu)勢(shì)，也充分推動(dòng)電池行業(yè)的發(fā)展。

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