探索未来：锂电池技术及其潜力

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：锂电池被美国先进电池委员会认定为需要长期坚持研究的技术。锂离子电池采用两种材料以使锂离子可以进行可逆反应。锂电池的电解质只能是纯离子导体，因而具有很好的电绝缘特性。

锂电池被美国先进电池委员会（USABC）认定为需要长期坚持研究的技术。在某些应用中，锂聚合物电池已经取代锂离子电池，尽管其比能量略低，但安全性更高。当然，在一种新型锂电池技术投入商业化应用之前，过充、过放和短路所引起的安全问题（着火）是需要持续关注的重要因素。

金属锂电池与锂离子电池在技术上有很大不同。金属锂电池的负极由金属锂（一种容易产生严重安全问题的材料）组成；锂离子电池因在负极和正极中添加了插层化合物（通常是石墨），而使锂处于离子状态。

8.3.9.1 金属锂电池

在放电阶段，金属锂电池的阳极（即由金属锂组成的负极）发生氧化反应。锂离子穿过电解质流向阴极（正极），通过与特定材料（主要是氢材料，见图8-

5）的混合（发生反应）而被还原，从而通过释放电子向外部电路提供电能。在充电阶段，锂离子发生逆向反应，由外部电路为其提供电子。

图8-5 锂离子电池充放电示意图

锂离子电池在负极材料上的反应与前面所讲的金属锂电池不同，锂材料被可以让锂自由进入的碳（石墨）所取代。这种结构的主要优点是使锂与电解液不发生直接接触，因此可以提高系统的化学惰性。与纯锂电极相比，这种电极的电位略大，且电极质量更重。因此，使该类锂电池的能量密度从纯锂电极的3828A·h/kg降低到LiC₆化合物电极的340A·h/kg。

锂离子电池采用两种材料以使锂离子可以进行可逆反应。负极采用已经嵌入锂原子（LiC₆）的石墨薄膜，正极可以采用过镀金属氧化锂材料（如LiCoO₂）。液体电解质则通常采用含六氟磷酸锂（LiPF₆）的碳酸盐溶液。锂离子电池的单体电压约为4V，而通常的单体电池运行电压为3.7V。

锂电池的电解质只能是纯离子导体，因而具有很好的电绝缘特性。在大部分情况下，这种电解质是液态的（如LiAsF₆、LiPF₆、LiClO₄等，溶解在有机溶剂或丙烯碳酸酯，乙烯碳酸酯，二甲氧基乙烷等混合溶剂里）。电解质也可以是固态的，如基于聚环氧乙烷的有机化合物或基于非晶硼酸锂的无机化合物。聚合物电解质就是属于固态电解质家族的，它是由聚合物（如聚乙二醇PEO）和锂盐（如LiClO₄）形成的复合物。而对于胶体聚合物，由锂盐溶入碳酸乙烯酯等有机溶剂中，并固化在聚丙烯腈（PAN）或PVdF-HFP共聚物中。这些固体电解质的性能总体低于液体电解质，但其具有良好的离子电导性，可以达到10^-5～10^-3S/cm的量级。

8.3.9.2 磷酸铁锂电池

磷酸铁锂电池是锂离子电池的一种。由活性材料LiFePO₄构成正极，而负极为石墨。磷酸锂铁电池的单体电压稍低（3.2V），但是安全性更好，成本更低，具有更好的循环稳定性。

8.3.9.3 金属锂聚合物电池

这种电池的负极采用金属锂，正极为钒氧化物，而电解质则采用基于POE（聚环氧乙烯）和锂盐的聚合物，这种电解质在60～80℃时效能最佳。这种电池采用挤压技术实现，是由法国BATSCAP公司和加拿大AVESTOR公司开发的。尽管目前价格较贵，但这种新型电池技术在未来将会很有前途，其制造成本最终也会比传统的锂离子技术更便宜。

锂-聚合物电池是由Michel Armand教授发明设计的。它在技术上是完全可行的，成本为100～150美元/kW·h，并可以在60～150℃的温度下运行良好不会有安全问题。目前有一些研究正在努力使电池的运行温度稍微降低一点，但是这种电池在-20℃时是不能够工作的。然而，在合适的温度条件下它需要非常少的能量供给。这种电池放置一周的自放电率为10%～20%。以Batscap公司开发的用于电动汽车的锂金属聚合物电池为例，其能量密度可以达到110W·h/kg（110W·h/L），工作在90℃温度条件下（内部温度）。

如果能够消除高温运行环境下的风险，锂离子电池技术将非常具有吸引力。例如，锂-碳电池在低温条件下运行良好，但由于采用了有机物电解质，当温度超过60℃时将会使系统变热。这种电池在小容量时没有危险，但容量不能超过一定程度。一些电池的技术特性、成本和优缺点的比较分别见表8-1～表8-3。

表8-1 蓄电池技术特性比较

表8-2 蓄电池的成本比较

表8-3 典型电化学电池的优缺点比较（资料来源：Forum Energies，2001，Organized by the ADEME，Anne de GUIBERT，SAFT，Battery evolution：application and perspectives）

探索未来：锂电池技术及其潜力

相关推荐