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。

　　锂电池串联问题

　　由于电池在生产过程中，从涂膜开始到成为成品要经过很多道工序。即使经过严格的检测程序，使每组电源的电压、电阻、容量一致，但使用一段时间，也会产生这样或那样的差异。

      如同一位母亲生的双胞胎，刚生下时可能长得一模一样，做为母亲都很难分辨。然而，在两个孩子不断成长时，就会产生这样或那样的差异锂动力电池也是这样。使用一段时间产生差异后，采用整体电压控制的方式是难以适用于锂动力电池的，如一个36V的电池堆，必须用10只电池串联。整体的充电控制电压是42V，而放电控制电压是26V。用整体电压控制方式，初始使用阶段由于电池一致性特别好，也许不会出现什么问题。在使用一段时间以后电池内阻和电压产生波动，形成不一致的状态，（不一致是的，一致性是相对的）这种时候仍然使用整体电压控制是不能达到其目的的。例如10只电池放电时其中两只电池的电压在2.8V，四只电池的电压是3.2V，四只是3.4V，现在的整体电压是32V，我们让它继续放电一直工作到26V。这样，那两只2.8V的电池就低于2.6V 处于了过放状态。锂电池几次过放就等于报废。反之，用整体电压控制充电的方式进行充电，也会出现过充的状况。比如用上述10只电池当时的电压状态进行充电。整体电压达到42V时，那两只2.8V的电池处于﹨“饥饿﹨”的状态，而迅速吸收电量，就会超过4.2V，而过充的超过4.2V的电池，不仅由于电压过高产生报废，甚至还会发生危险，这就是锂动力电池的特性。

　　锂离子电池的额定电压为3.6V（有的产品为3.7V）。充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关：阳极材料为石墨的4.2V；阳极材料为焦炭的4.1V。不同阳极材料的内阻也不同，焦炭阳极的内阻略大，其放电曲线也略有差别，如图1所示。一般称为4.1V锂离子电池及4.2V锂离子电池。现在使用的大部分是4.2V的，锂离子电池的终止放电电压为 2.5V～2.75V（电池厂给出工作电压范围或给出终止放电电压，各参数略有不同）。低于终止放电电压继续放电称为过放，过放对电池会有损害。

　　便携式电子产品以电池作为电源。随着便携式产品的迅猛发展，各种电池的用量大增，并且开发出许多新型电池。除大家较熟悉的高性能碱性电池、可充电的镍镉电池、镍氢电池外，还有近年来开发的锂电池。本文主要介绍有关锂电池的基本知识。这包括它的特性、主要参数、型号的意义、应用范围及使用注意事项等。

　　锂是一种金属元素，其化学符号为Li（其英文名为lithium），是一种银白色、十分柔软、化学性能活泼的金属，在金属中是轻的。它除了应用于原子能工业外，可制造特种合金、特种玻璃（电视机上用的荧光屏玻璃）及锂电池。在锂电池中它用作电池的阳极。

　　锂电池也分成两大类：不可充电的及可充电的两类。不可充电的电池称为一次性电池，它只能将化学能一次性地转化为电能，不能将电能还原回化学能（或者还原性能极差）。而可充电的电池称为二次性电池（也称为蓄电池）。它能将电能转变成化学能储存起来，在使用时，再将化学能转换成电能，它是可逆的，如电能化学能锂电池的主要特

　　锂电池行业保持高速发展。全球消费电子、新能源汽车及储能等下游需求增长，带动锂电池市场规模持续扩大。据中国化学与物理电源行业协会统计，2016 年全球锂电池电 芯产值达到 2158 亿元人民币，同比增长 22.9%。预计在新能源汽车推广带动下，2017年全球锂电池电芯市场规模将达到 2567 亿元人民币，产值增长为 19%。2016 年我国 国内锂电池产业规模达 1115 亿元，比去年同期增长 13.20%。2011 年以来，我国锂电池产值年复合增速达 16.34%。

　　隔膜是锂离子电池关键的四大原材料之一。隔膜性能的优劣直接影响电池内阻、放电容量、循环使用寿命以及电池安全性能电池性能。锂电池的放电原理是电池负极材料中的锂离子脱附，通过电解液移动到正极，电子随即通过外电路由负极移动到正极产生电流。