锂离子电池 （一种二次电池）

发展历史

20世纪50年代美国国防部和美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）以金属氟化物为正极、锂金属为负极研究高能量密度的电池，但由于锂枝晶等原因性能并不理想。

20世纪70年代，美国埃克森美孚公司（Exxon Mobile）的惠廷汉姆（Whittingham）领导科研团队发现锂离子可以再

正极反应：

正极活性材料：电池的输出电压和可用容量决定了电池所能够储存的能量，为了尽可能提高电池性能以及寿命，正极活性材料需要满足以下要求：

1. 有着较高的氧化还原电位，从而增大与负极之间的电位差，提高电池的输出电压。

2. 能够尽可能多的嵌入锂离子，可循环锂离子的量决定了电池的可用容量。

3. 在锂离子嵌入正极或者从正极脱嵌时，正极材料的结构尽可能不发生改变，以提高电池的寿命和可靠性。

4. 成本低，环境友好。

5. 化学稳定性、热稳定性好，不与电解液发生反应。

常用的正极材料包括：钴酸锂（

按正极材料分

根据正极材料的不同分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂以及三元系锂离子电池，不同正极材料优缺点对比：

按用途分

能量型锂离子电池：能量密度通常偏高，但对输出功率密度要求不大，在对工作状况要求不是很严格时使用，常见于太阳能路灯、玩具车、调峰的储能电池中。

动力型锂离子电池：主要应用于对功率密度和能量密度都有一定要求的场景，需要长时间提供能量，且有时需要瞬时的较大电流，例如纯电池汽车。

功率型锂离子电池：不需要长时间的工作，但需要提供瞬时的巨大电流，典型的使用案例是主要依靠发动机驱动、电机用来提速以及制动回收的混合动力汽车。

老化机理

锂离子电池的老化是其循环老化和日历老化（长时间搁置）综合影响的结果，是一个非常复杂且长期的过程，内部许多类型的物理、化学过程都会导致电池的老化，包括固体电解质界面膜（SEI）形成、析锂等等。

SEI生长

在电池第一次充电（化成）过程中，会在负极与隔膜的界面消耗10%的锂形成初始的SEI膜，之后在电池的整个生命周期内经历构成、生长、分解和再生的循环过程，SEI膜是锂离子与电解质中多种组分发生的一系列反应的产物，会造成可循环锂的减少从而降低电池容量。

析锂

当电池处于低温、高倍率、过充的工况，负极对锂电位降低至0V以下时，一部分锂离子仍然正常的嵌入石墨，另一部分锂离子则会在石墨表面以锂金属的形态析出，即析锂，不仅会引起可循环锂的减少，析出的锂还会以树突状生长，可能刺穿隔膜，引起严重的安全隐患——内短路。

安全故障

锂离子电池作为一个高比能量的储能设备，由于制造过程中材料本身、结构设计的缺陷，本身存在着一定的危险。电池的工作环境也非常复杂，除了频繁的碰撞，振动和冲击，电池系统在工作时还会释放大量的热，这都会造成一些安全隐患。锂离子电池的安全性失效模式包括内短路、外短路、过充/过放等等。

内短路

电池的内短路指的是当电池的正负极材料在电池内部形成电连接、由于电位差引发放电并且伴随着大量的热释放的现象，电池内短路时，电池中大量的能量会在很短的时间内被释放出来，使电池快速升温，甚至引起电池的爆炸。

外短路

与内短路不同，电池的外短路是指电池外部的正、负极极柱直接形成电连接，电池通过极小的电阻进行放电，使电池内储存的化学能以热能的形式散出，使电池快速升温，但相比内短路峰值温度更低。外短路通常是由电池系统的碰撞变形、水浸和连接故障导致的。

过充/过放

过充（过放）指的是在电池充满电（放空电）后仍然继续给电池充电（放电），快充（放）、充（放）电后期大倍率充（放）电都可能导致过充（放），轻微的过充（放）仅会导致电池可用容量的略微下降，长时间的过充（过放）则会影响电池的安全。

安全事宜

锂离子电池在正常使用过程中不会对人体和环境造成危害，但在报废时如果不正常预处理（放电、拆解、粉碎、分选）就会对环境造成危害，进而影响到周边的生物和人体。

锂离子电池活性材料中的钴、电解液中的六氟磷酸锂以及隔膜中的聚丙二乙烯等会对环境造成有机污染，在废弃时需要先将其放至空电，拆解回收塑料以及铁外壳，对电极材料进行碱浸出、酸浸出，之后在进行萃取，电池中的电解质、电极液及一些转化、水解产物（六氟磷酸锂、氟化氢、甲醇、甲酸等）都需要送至有资质的地方进行统一解决，不能随意丢弃，关键电极材料的回收不仅能够降低对环境的污染，还能减少对锂、钴等资源的依赖，有着重要的社会意义和经济意义。

锂离子电池通常在其容量下降至80%时即为一次寿命的结束，但若将其直接报废，会造成严重的资源浪费，可以通过梯次利用来让电池在多个应用场景下得到长期的利用。电池出厂后，首先在电动汽车上应用，一次寿命结束后，可以将其应用在对功率要求不高的电网储能系统中，一方面延长电池使用寿命，另一方面降低电池的成本。

应用领域

汽车领域

为了响应国家的双碳政策，解决能源短缺以及环境污染的问题，汽车行业需要实现从燃油车向电车的转型，锂离子电池以其高能量密度、高工作电压、长循环寿命等优点，无论是在电动轿车上还是在电动公交车上得到了广泛的应用，尤其是磷酸铁锂电池和三元系电池。

电网储能领域

为了进一步降低对不可再生能源（煤、石油、天然气）的依赖，可再生能源（风能、太阳能等）的发电受到了广泛的关注，但这些可再生能源发电存在着一定的波动性和间歇性，不能直接将获取的电能传输到电网上，会造成电网的波动，因此需要通过储能电池储存一部分可再生能源转换的电脑，在电网侧负载较高时供给电能，实现电网的调频与调峰。

储能电池对于能量密度没有直接的要求，但不同的储能场景（调频、调峰）对电池的功率密度有要求，长寿命、高能量转换效率的锂离子电池可以担此重任。

便携式电子设备领域

近年来，随着互联网、物联网、大数据等技术的兴起，出现了越来越多的电子设备，便利了居民的生活，各种智能手机、MP3、MP4、摄影机、遥控器、儿童玩具等电子设备都出现了锂离子电池的身影。

发展趋势

中国作为全球锂离子电池发展最活跃的地区，锂离子电池市场规模逐年增长，新能源汽车是带动锂离子电池快速增长的最大引擎，储能市场对锂离子电池的需求也有望提速，除满足国内需求外，也将批量出口到欧美、澳洲、东南亚等地。

全球各国都高度重视锂离子电池行业的发展，日本的松下企业以及韩国的LG新能源作为仅次于中国宁德时代的两大锂离子电池的巨头制造商期望着占据更高的市场份额，欧洲委员会于2018年5月发布的《电池战略行动计划》提出了一项电池技术未来十年的长期研究计划——“BATTERY 2030+”。其愿景是发明未来的电池，为欧洲工业创造颠覆性技术和整个价值链的竞争优势。BATTERY 2030+将通过跨学科研究方法，利用人工智能、机器人技术、传感器和智能系统等先进技术，追求超高性能、可靠、安全、可持续和价格合理的电池。

根据工信部发布的《节能与新能源汽车技术路线图》，2030年动力电池的能量密度目标为500Wh/kg，目前能量密度最高的NCM三元电池能量密度仅为250-300Wh/kg，提高三元中镍的含量有望进一步提高能量密度，但却同时会影响其安全性，如何在不影响其安全性的前提下提高能量密度是一个有待解决的重要问题。冬季低温电池性能差一直是锂离子电池的一个痛点，研发能够适应低温环境的全气候电池也是未来锂离子电池的一个发展方向，同时还要尽可能提高其循环寿命、降低其成本，这些都是未来的研究热点。