鋰離子電池(Li-ionBatteries)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，以前照相機(jī)里用的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.這種電池也可能充電,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，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(dāng)對電池進(jìn)行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達(dá)到負(fù)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(dāng)對電池進(jìn)行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動回正極?；卣龢O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，鋰離子處于從正極→負(fù)極→正極的運(yùn)動狀態(tài)。Li-ionBatteries就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象運(yùn)動員一樣在搖椅來回奔跑。所以Li-ionBatteries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(zhì)一般為氧化鋰鈷

（3）隔膜——一種特殊的復(fù)合膜

（4）負(fù)極——活性物質(zhì)為碳

（5）有機(jī)電解液

（6）電池殼（分為鋼殼和鋁殼兩種）

鋰離子電池優(yōu)缺點(diǎn)

鋰離子電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：

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

2）比能量大，目前能達(dá)到的實(shí)際比能量為100-125Wh/kg和240-300Wh/L（2倍于Ni-Cd，1.5倍于Ni-MH）,未來隨著技術(shù)發(fā)展,比能量可高達(dá)150Wh/kg和400Wh/L

3）循環(huán)壽命長,一般均可達(dá)到500次以上,甚至1000次以上.對于小電流放電的電器,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(yīng).作為Li-ion前身的鋰電池,因金屬鋰易形成枝晶發(fā)生短路,縮減了其應(yīng)用領(lǐng)域：Li-ion中不含鎘、鉛、汞等對環(huán)境有污染的元素：部分工藝（如燒結(jié)式）的Ni-Cd電池存在的一大弊病為“記憶效應(yīng)”，嚴(yán)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個月后的自放電率為10%左右，大大低于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(dá)到標(biāo)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(zhì)和正極的改進(jìn)，期望能擴(kuò)寬到-40~70°C。

鋰離子電池也存在著一定的缺點(diǎn)，如：

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

2）不能大電流放電。由于有機(jī)電解質(zhì)體系等原因，電池內(nèi)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，只適合于中小電流的電器使用。

3）需要保護(hù)線路控制。

A、過充保護(hù)：電池過充將破壞正極結(jié)構(gòu)而影響性能和壽命；同時過充電使電解液分解，內(nèi)部壓力過高而導(dǎo)致漏液等問題；故必須在4.1V-4.2V的恒壓下充電；

B、過放保護(hù)：過放會導(dǎo)致活性物質(zhì)的恢復(fù)困難，故也需要有保護(hù)線路控制。

摘要：綜述了鋰離子電池的發(fā)展趨勢，簡述了鋰離子電池的充放電機(jī)理理論研究狀況，總結(jié)歸納了作為核心技術(shù)的鋰電池正負(fù)電極材料的現(xiàn)有的制備理論和近來發(fā)展動態(tài)，評述了正極材料和負(fù)極材料的各種制備方法和發(fā)展前景，重點(diǎn)介紹了目前該領(lǐng)域的問題和改進(jìn)發(fā)展情況。

材料

電子信息時代使對移動電源的需求快速增長。由于鋰離子電池具有高電壓、高容量的重要優(yōu)點(diǎn)，且循環(huán)壽命長、安全性能好，使其在便攜式電子設(shè)備、電動汽車、空間技術(shù)、特種工業(yè)等多方面具有廣闊的應(yīng)用前景，成為近幾年廣為關(guān)注的研究熱點(diǎn)。鋰離子電池的機(jī)理一般性分析認(rèn)為,鋰離子電池作為一種化學(xué)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(fù)極構(gòu)成的二次電池。當(dāng)電池充電時，鋰離子從正極中脫嵌，在負(fù)極中嵌入，放電時反之。鋰離子電池是物理學(xué)、材料科學(xué)和化學(xué)等學(xué)科研究的結(jié)晶。鋰離子電池所涉及的物理機(jī)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(wǎng)絡(luò)空格點(diǎn)上。電子輸運(yùn)鋰離子電池的正極和負(fù)極材料都是離子和電子的混合導(dǎo)體嵌入化合物。電子只能在正極和負(fù)極材料中運(yùn)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(jié)構(gòu)作電荷補(bǔ)償，以維持電中性。電荷補(bǔ)償可以由主體材料能帶結(jié)構(gòu)的改變來實(shí)現(xiàn)，電導(dǎo)率在嵌入前后會有變化。鋰離子電池電極材料可穩(wěn)定存在于空氣中與其這一特性息息相關(guān)。嵌入化合物只有滿足結(jié)構(gòu)改變可逆并能以結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)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(guān)鍵材料——電池中正負(fù)極活性材料是這一技術(shù)的關(guān)鍵，這是國內(nèi)外研究人員的共識。

1正極材料的性能和一般制備方法

正極中表征離子輸運(yùn)性質(zhì)的重要參數(shù)是化學(xué)擴(kuò)散系數(shù),通常情況下，正極活性物質(zhì)中鋰離子的擴(kuò)散系數(shù)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(shù)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，傾向于選擇高電勢的嵌鋰化合物。正極材料應(yīng)滿足：

1）在所要求的充放電電位范圍內(nèi)，具有與電解質(zhì)溶液的電化學(xué)相容性；

2）溫和的電極過程動力學(xué)；

3）高度可逆性；

4）全鋰化狀態(tài)下在空氣中的穩(wěn)定性。

研究的熱點(diǎn)主要集中在層狀LiMO2和尖晶石型LiM2O4結(jié)構(gòu)的化合物及復(fù)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(jié)構(gòu)變化的程度和可逆性決定了電池的穩(wěn)定重復(fù)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。多種有前途的正極材料，都存在使用循環(huán)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

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后，進(jìn)行燒結(jié)反應(yīng)[10]。此方法優(yōu)點(diǎn)是工藝流程簡單，原料易得，屬于鋰離子電池發(fā)展初期被廣泛研究開發(fā)生產(chǎn)的方法，國外技術(shù)較成熟；缺點(diǎn)是所制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(wěn)定性不好，批次與批次之間質(zhì)量一致性差。

2）絡(luò)合物法用有機(jī)絡(luò)合物先制備含鋰離子和鈷或釩離子的絡(luò)合物前驅(qū)體，再燒結(jié)制備。該方法的優(yōu)點(diǎn)是分子規(guī)模混合，材料均勻性和性能穩(wěn)定性好，正極材料電容量比固相法高，國外已試驗(yàn)用作鋰離子電池的工業(yè)化方法，技術(shù)并未成熟，國內(nèi)目前還鮮有報道。

3）溶膠凝膠法利用上世紀(jì)70年代發(fā)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(luò)合物法的優(yōu)點(diǎn)，而且制備出的電極材料電容量有較大的提高，屬于正在國內(nèi)外迅速發(fā)展的一種方法。缺點(diǎn)是成本較高，技術(shù)還屬于開發(fā)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(dá)270mA·h/g高值，此方法成為研究的新熱點(diǎn)，它具有所制電極性能穩(wěn)定，電容量高的特點(diǎn)。但過程涉及溶液重結(jié)晶蒸發(fā)等費(fèi)能費(fèi)時步驟，距離實(shí)用化還有相當(dāng)距離。

正極材料的研究從國外文獻(xiàn)可看出,其電容量以每年30～50mA·h/g的速度在增長，發(fā)展趨向于微結(jié)構(gòu)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(jìn)，關(guān)于嵌鋰化合物結(jié)構(gòu)的理論研究已取得一定進(jìn)展，但其發(fā)展理論還在不斷變化中。困擾這一領(lǐng)域的鋰電池電容量提高和循環(huán)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(jī)理并未研究清楚，導(dǎo)致日本學(xué)者Yoshio.Nishi認(rèn)為，過去十年以來在這一領(lǐng)域?qū)嵸|(zhì)進(jìn)展不大[1]，急須進(jìn)一步地研究。

2負(fù)極材料的性能和一般制備方法

負(fù)極材料的電導(dǎo)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?？赡娴厍度朊撉朵囯x子的負(fù)極材料要求具有：

1）在鋰離子的嵌入反應(yīng)中自由能變化??；

2）鋰離子在負(fù)極的固態(tài)結(jié)構(gòu)中有高的擴(kuò)散率；

3）高度可逆的嵌入反應(yīng)；

4）有良好的電導(dǎo)率；

5）熱力學(xué)上穩(wěn)定，同時與電解質(zhì)不發(fā)生反應(yīng)。

研究工作主要集中在碳材料和具有特殊結(jié)構(gòu)的其它金屬氧化物。石墨、軟碳、中相碳微球已在國內(nèi)有開發(fā)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HondaResearchandDevelopmentCo．，Ltd的K．Sato等人利用聚對苯撐乙烯（Polyparaphenylene——PPP）的熱解產(chǎn)物PPP－700（以一定的加熱速度加熱PPP至700℃，并保溫一定時間得到的熱解產(chǎn)物）作為負(fù)極，可逆容量高達(dá)680mA·h/g。美國MIT的MJMatthews報道PPP－700儲鋰容量（Storagecapacity）可達(dá)1170mA·h/g。若儲鋰容量為1170mA·h/g，隨著鋰嵌入量的增加，進(jìn)而提高鋰離子電池性能，筆者認(rèn)為今后研究將集中于更小的納米尺度的嵌鋰微結(jié)構(gòu)。幾乎與研究碳負(fù)極同時，尋找電位與Li＋／Li電位相近的其他負(fù)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）電壓滯后，即鋰的嵌入反應(yīng)在0～0．25V之間進(jìn)行（相對于Li＋／Li）而脫嵌反應(yīng)則在1V左右發(fā)生；

2）循環(huán)容量逐漸下降，一般經(jīng)過12～20次循環(huán)后，容量降至400～500mA·h/g。

理論上的進(jìn)一步深化還有賴于各種高純度、結(jié)構(gòu)規(guī)整的原料及碳材料的制備和更為有效的結(jié)構(gòu)表征方法的建立。日本富士公司開發(fā)出了鋰離子電池新型錫復(fù)合氧化物基負(fù)極材料，除此之外，已有的研究主要集中于一些金屬氧化物，其質(zhì)量比能量較碳負(fù)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(jī)理主要有鋰分子Li2形成機(jī)理、多層鋰機(jī)理、晶格點(diǎn)陣機(jī)理、彈性球－彈性網(wǎng)模型、層－邊端－表面儲鋰機(jī)理、納米級石墨儲鋰機(jī)理、碳－鋰－氫機(jī)理和微孔儲鋰機(jī)理。石墨，作為碳材料中的一種，早就被發(fā)現(xiàn)它能與鋰形成石墨嵌入化合物（GraphiteIntercalationCompounds）LiC6，但這些理論還處于發(fā)展階段。負(fù)極材料要克服的困難也是一個容量循環(huán)衰減的問題，但從文獻(xiàn)可知，制備高純度和規(guī)整的微結(jié)構(gòu)碳負(fù)極材料是發(fā)展的一個方向。

一般制備負(fù)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(tài)變化，石墨結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能的關(guān)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(jié)構(gòu)的交聯(lián)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(jié)構(gòu)受原料影響較大，但一般文獻(xiàn)認(rèn)為這些碳結(jié)構(gòu)中的納米微孔對其嵌鋰容量有較大影響，對其研究主要集中于利用特殊分子結(jié)構(gòu)的高聚物來制備含更多納米級微孔的硬碳[25][26][27]。

3）高溫?zé)岱纸庥袡C(jī)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(guān)注，但其電壓滯后和循環(huán)容量下降的問題是其最大應(yīng)用障礙。對其制備方法的改進(jìn)和理論機(jī)理解釋將是研究的重點(diǎn)。

4）各種金屬氧化物其機(jī)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(jié)構(gòu)或復(fù)合結(jié)構(gòu)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(dāng)前研究的一個新熱點(diǎn)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)已被廣泛研究并取得了很大進(jìn)展，但如何制備適當(dāng)堆積方式以獲得優(yōu)異性能的電極材料，這應(yīng)是研究的一個重要方向[31][32][33]。

3結(jié)語

綜上所述，近年來鋰離子電池中正負(fù)極活性材料的研究和開發(fā)應(yīng)用，在國際上相當(dāng)活躍，并已取得很大進(jìn)展。材料的晶體結(jié)構(gòu)規(guī)整，充放電過程中結(jié)構(gòu)不發(fā)生不可逆變化是獲得比容量高，循環(huán)壽命長的鋰離子電池的關(guān)鍵。然而，對嵌鋰材料的結(jié)構(gòu)與性能的研究仍是該領(lǐng)域目前最薄弱的環(huán)節(jié)。鋰離子電池的研究是一類不斷更新的電池體系，物理學(xué)和化學(xué)的很多新的研究成果會對鋰離子電池產(chǎn)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(yīng)用范圍?？傊?，鋰離子電池的研究是一個涉及化學(xué)、物理、材料、能源、電子學(xué)等眾多學(xué)科的交叉領(lǐng)域。目前該領(lǐng)域的進(jìn)展已引起化學(xué)電源界和產(chǎn)業(yè)界的極大興趣。可以預(yù)料，隨著電極材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系研究的深入，從分子水平上設(shè)計出來的各種規(guī)整結(jié)構(gòu)或摻雜復(fù)合結(jié)構(gòu)的正負(fù)極材料將有力地推動鋰離子電池的研究和應(yīng)用。鋰離子電池將會是繼鎳鎘、鎳氫電池之后，在今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)，市場前景最好、發(fā)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：堿性電池，電解質(zhì)主要以氫氧化鉀水溶液為主的電池，如：堿性鋅錳電池（俗稱堿錳電池或堿性電池）、鎘鎳電池、氫鎳電池等；酸性電池，主要以硫酸水溶液為介質(zhì)，如鉛酸蓄電池；中性電池，以鹽溶液為介質(zhì)，如鋅錳干電池（有的消費(fèi)者也稱之為酸性電池）、海水激活電池等；有機(jī)電解液電池，主要以有機(jī)溶液為介質(zhì)的電池，如鋰電池、鋰離子電池待。

第二類：按工作性質(zhì)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(xí)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(xù)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(fù)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、堿錳電池等；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(fù)充電使用的電池。常見的有：鉛酸電池（用于汽車時，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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鎳鎘和鎳氫電池在20±5℃環(huán)境下，以0.1C充電16小時后以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(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

避免在嚴(yán)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(yīng)確保用電器具處于電源關(guān)閉狀態(tài)；使用溫度應(yīng)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；