锂离子电池优缺点及改进思路

宋泽宇

摘 要：锂离子电池是目前被最为广泛利用的一种二次电池，其具有能量密度大、自放电率低、电势差高、循环寿命长等诸多优点。我们通过对锂离子电池的研究，发现其在能量密度及充放电倍率性能方面仍有较大改进空间。我们提出了正负极材料改性等方法从而提高电池能量密度和充放电倍率性能。

关键词：锂离子电池；改性；能量密度；倍率性能

中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）24-0069-01

锂离子电池是目前被最为广泛利用的一种二次电池，其具有能量密度大、自放电率低、电势差高、循环寿命长等诸多优点。锂离子电池已在许多领域实现应用，如手机等电子设备、电动汽车、卫星、飞船、水下机器人等。

1 锂离子电池原理概述

锂离子电池是一种可充电电池，其正负极是两种易发生脱嵌锂反应的材料，并且该反应可逆。充电时，在外界电场驱使下，正极材料放出Li+，通过电解质传输，嵌入负极材料，形成含锂化合物；放电时则正好相反，Li+从负极脱嵌，嵌入正极，形成含锂化合物，锂离子在迁移过程中形成电流。锂离子电池工作原理，如图1所示。

正负极电化学反应以LiCoO2-石墨为例：

正极反应：LiCoO2===Lil-xCoO2+xLi十+xe-

负极反应：C6+xLi+xe-===LixC6

与镍镉电池、镍氢电池等二次电池相比，其自放电率低、循环寿命长、安全性能好等优点十分显著，是迄今为止综合性能最好的二次电池。

另外传统的镍镉电池因其具有有记忆效应，因而使寿命大大降低，而锂离子电池则没有记忆效应。同时，锂离子电池中重金属含量小，对环境污染较小，也被誉为：可靠的环保型绿色电池。

2 锂离子电池内部结构

锂离子电池跟常规化学电池一样，组成较为简单，由四部分构成：正、负电极，电解质，隔膜。

正负电极的材料的化学性质比较活泼，容易实现电能和化学能相互转换，所以需要“活性物质”来做电池的正负极。

正负极材料不但要活泼，还需结构稳定，才能实现有序的，可控的化学反应。目前常见的正极材料有磷酸铁锂、钴酸锂、镍钴锰三元材料等。

负极材料通常用石墨或其他碳材料做活性物质（也可使用硅或碳硅化合物）。既要求是好的能量载体，又要结构稳定，且自然界储量丰富，便于大规模制造。

电解质是溶液或在熔融状态下易导电的化合物，在锂离子往复迁移过程中起传递作用。通常可选择有机溶剂和锂盐溶质构成的溶液。常见的溶剂包括乙醚、丙烯碳酸酯、乙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。常见的锂盐溶质有LiClO4，LiPF6，LiBF4等材料。

隔膜是为了防止正负极材料直接接触而短路。隔离膜材料是电子绝缘体，同时需要有良好的离子通过性以实现正负极之间的绝缘且不阻碍锂离子迁移。目前应用较广泛的隔膜主要有单层膜、双层膜、三层膜等，如单层PP、PE，双层PP/PE，三层PP/PE/PP复合膜等。

3 锂离子电池优缺点分析及缺点改进

虽然锂离子电池有诸多优点，但仍然在某些方面急需进一步改进。

3.1 提高能量密度

进一步提高能量密度是當前锂离子电池发展的首要问题。无论是手机还是电动汽车，其当前电池的能量密度都远不能满足人类的需求。

要提高能量密度其本质在于提高正负极材料中锂元素的比例，同时在放电时要让正极有尽可能多的锂离子脱嵌，移动到负极，然后在正负极之间往复运动，形成电流。在同一个电池化学体系中，随着单位质量锂元素的含量提升，能量密度也会有相应的提升。

同理提高负极活性物质的占比及其比容量，也是提高能力密度重要因素。正极活性物质增加后，如果负极活性物质不能与之匹配，从正极脱嵌出来的富余锂离子会集中在负极表面，而不是嵌入负极材料内部，会出现不可逆化学反应，导致电池容量迅速衰减。

3.2 提高充放电倍率性能

锂离子电池的充放电倍率性能，是电池充放电速率的决定因素，其微观表现就是电池内部的离子迁移能力。我们可以通过提高离子迁移速率、提高电解质离子导电率等方法提高电池倍率性能。

在正极材料处，增加离子通透孔道，给锂离子留出迁移的空隙，并且尽可能使这些孔道分布均匀，就可以提高离子迁移速率。这就要通过成分及制备方法的调整，结构优化正极材料的微观组织结构，做到均匀分布。此外，还可以选择锂离子扩散系数较大的正极材料，也是改善倍率性能的方法。

负极材料改性因素同样需要考虑材料的微观组织结构，减小锂离子在负极材料中的浓度差，提高锂离子在负极材料中的扩散能力。近年来针对碳纳米材料的研究（纳米管、纳米线、石墨烯等）有大大进展，其本质在于提高负极材料比表面积，因此逐步取代传统的负极层状结构，通过增加负极材料的比表面积、改变内部结构并且增加扩散通道，大幅度提升电池倍率性能。

锂离子电池内部涉及到几种不同的物质和物质之间的界面，都会对离子/电子的传导产生影响。一般在正极活性物质内部会添加一定量的导电剂，可以降低活性物质之间的接触电阻，提高正极材料的导电率，提升倍率性能。不同的导电剂都会影响电池的内阻，从而影响其倍率性能。电解质与正负极材料的电极界面处的接触电阻也会影响电池的倍率性能。

4 结语

锂离子电池在首次循环的过程中，会在负极形成一层固态电解质（SEI）膜，这个膜对锂离子的扩散有一定的阻碍作用，尤其是大倍率充放电的时候。随着电池的使用，SEI膜会发生脱落、逐渐沉积在负极表面，导致电池的内阻逐渐增加，成为影响倍率性能的重要因素。因此，控制SEI膜的利用并防止其脱落，对锂离子电池倍率性能有大大改善。

参考文献

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