高电压锂离子电池主要材料及工艺进展现状

　　高电压锂离子电池的性能主要是由活性材料和电解液的结构和性质所决定的，其中正极材料是最关键的核心材料，电解液的匹配作用也十分重要。以下主要分析目前高电压正极材料的研究和应用现状。

　　1.高压钴酸锂材料的研究现状

　　目前研究和应用***的高电压正极材料是钴酸锂，它具有二维层状结构，α-NaFeO2型，更适合于锂离子的嵌入和脱出。钴酸锂的理论能量密度274mAh/g，其具有生产工艺简单且电化学性质稳定等优点，因此***较高。钴酸锂材料在实际应用中只有部分的锂离子能够可逆的进行嵌入和脱出，其实际能量密度大约为167mAh/g（工作电压为4.35V）。提升其工作电压可以***提高其能量密度，例如将工作电压由4.2V提升至4.35V其能量密度可以增加16%左右。但是在高电压下锂离子多次从材料中嵌入和脱出会使钴酸锂的结构从三方晶系到单斜晶系发生转变，此时钴酸锂材料不再具有嵌入和脱出锂离子的能力，同时正极材料的颗粒发生松动并从集流体上脱落，导致电池的内阻变大，电化学性能变差。目前钴酸锂正极材料的改性，主要还是从掺杂和包覆2个方面对材料的晶体结构稳定性和界面稳定性进行提升。

　　目前钴酸锂高电压材料在高能量密度电池中已批量使用，如高端手机电池厂家对电池性能的要求越来越高，其中主要体现在对能量密度的更高要求，例如以碳作为负极的4.35V手机电池能量密度要求在660Wh/L左右，4.4V手机电池已达到740Wh/L左右，这就要求正极材料具有更高的压实密度、更高的空量发挥，以及在高压实和高电压下的材料结构具有更好的的稳定性。但钴酸锂电极材料存在钴资源匮乏且价格昂贵等缺点，此外钴离子具有一定的毒性，这些缺陷限制了其在动力电池中的广泛应用。

　　锂离子电池能量密度，指的是单位体积或单位重量的电池，能够存储和释放的电量，其单位有两种：Wh/kg，Wh/L，分别代表重量比能量和体积比能量。这里的电量，是上面提到的容量(Ah)与工作电压(V)的积分。在应用的时候，能量密度这个指标比容量更具有指导性意义。

　　基于当前的锂离子电池技术，能够达到的能量密度水平大约在100~200Wh/kg，这一数值还是比较低的，在许多场合都成为锂离子电池应用的瓶颈。这一问题同样出现在电动汽车领域，在体积和重量都受到严格限制的情况下，电池的能量密度决定了电动汽车的单次大行驶里程，于是出现了“里程”这一***的名词。如果要使得电动汽车的单次行驶里程达到500公里(与传统燃油车相当)，电池单体的能量密度必须达到300Wh/kg以上。

　　锂离子电池能量密度的提升，是一个缓慢的过程，远低于集成电路产业的摩尔定律，这就造成了电子产品的性能提升与电池的能量密度提升之间存在一个剪刀差，并且随着时间不断扩大。

　　不可充电的锂电池

　　不可充电的锂电池有多种，目前常用的有锂－二氧化锰电池、锂—亚硫酰氯电池及锂和其它化合物电池。本文仅介绍前两种常用的。

1、锂－二氧化锰电池（Li MnO2） 锂－二氧化锰电池是一种以锂为阳极、以二氧化锰为阴极，并采用有机电解液的一次性电池。该电池的主要特点是电池电压高，额定电压为3V（是一般碱性电池的2 倍）；终止放电电压为2V；比能量大（见上面举的例子）；放电电压稳定可靠；有较好的储存性能（储存时间3年以上）、自放电率低（年自放电率≤2％）；工作温度范围－20℃～＋60℃。该电池可以做成不同的外形以满足不同要求，它有长方形、圆柱形及纽扣形（扣式）。圆柱形的也有不同的直径及高度尺寸。这里列举大家较熟悉的1＃（尺寸代码D）、2＃（尺寸代码C）及5＃（尺寸代码AA）电池的主要参数。

　　CR表示为圆柱形锂－二氧化锰电池；五位数字中，前两位表示电池的直径，后三位表示带一位小数的高度。例如，CR14505，其直径为14mm，高度为50 5mm（这种型号是通用的）。

　　这里要指出的是不同工厂生产的同型号的电池其参数可能有些差别。另外，标准放电电流值是较小的，实际放电电流可以大于标准放电电流，并且连续放电及脉冲放电的允许放电电流也不同，由电池厂提供有关数据。例如，力兴电源公司生产的CR14505给出大连续放电电流为1000mA，大脉冲放电电流可达2500mA。

　　照相机中用的锂电池多半是锂－二氧化锰电池。这里将照相机中常用的锂－二氧化锰电池列入表2，供参考。

　　纽扣式（扣式）电池尺寸较小，其直径为12 5～24 5mm，高度为1 6～5 0mm。几种较常用的扣式电池如表3所示。

　　CR为圆柱形锂－二氧化锰电池，后四位数字中前两位为电池的直径尺寸，后两位为带小数点的高度尺寸。例如，CR1220的直径为12 5mm（不包括小数点后的数），其高度为2 0mm。这种型号表示方法是国际通用的。

　　这种扣式电池常用于时钟、计算器、电子记事本、照相机、助听器、电子游戏机、IC卡、备用电源等。