王鵬博，鄭俊超

中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院，長沙 410083

鋰離子電池的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

王鵬博，鄭俊超?

中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院，長沙 410083

鋰離子電池具有比能量高、無記憶效應(yīng)、工作電壓高以及安全、長壽命的特點(diǎn)。本文回顧了鋰離子電池的發(fā)展歷史，分析了鋰離子電池的工作原理，總結(jié)了鋰離子電池的特點(diǎn)，綜述了目前鋰離子電池常用的正、負(fù)極電極材料和電解質(zhì)，最后分析了鋰離子電池目前存在的問題并對其未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

鋰離子電池；正極材料；負(fù)極材料；電解質(zhì)

一直以來由于大量使用化石燃料，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，并必將帶來能源枯竭的問題。如今，人類正積極開發(fā)利用可再生的清潔能源，如光能、潮汐能、水能、風(fēng)能和化學(xué)電源 (電化學(xué)電源)。電化學(xué)電源因其易于將能源儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)化，正發(fā)揮著越來越重要的作用。目前最常用的電化學(xué)二次電池有鉛酸電池(lead acid)、鎳鎘電池(Cd/Ni)、鎳氫電池(MH/Ni)和鋰離子電池(lithium-ion battery)四種。其中，鋰離子電池具有比能量高、無記憶效應(yīng)、工作電壓高、安全、壽命長及循環(huán)性能好的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于電動(dòng)汽車、電子設(shè)備以及儲(chǔ)能設(shè)備中[1]。

1 鋰離子電池的發(fā)展歷程

按照時(shí)間進(jìn)程，鋰離子電池的發(fā)展可以分為以下階段：鋰離子電池產(chǎn)生階段(1950—1980年)、鋰離子電池快速發(fā)展階段(1980—2000年)和鋰離子電池發(fā)展的新階段(2000年至今 )。

1.1 鋰離子電池產(chǎn)生階段(1950—1980)

日本是最早開展鋰離子電池研究的國家之一。1975年，三洋公司開發(fā)了Li/MnO2電池，隨后鋰二次電池開始量產(chǎn)。在充放電過程中，作為負(fù)極的金屬鋰容易產(chǎn)生枝晶造成電池短路，引起爆炸等安全性問題，因此早期鋰離子電池發(fā)展緩慢。2004年日本松下電器制備出以碳氟化合物為正極材料的Li/(CF)n電池[2]。美國Argon實(shí)驗(yàn)室研究的熔鹽鋰離子電池，采用Li-Al合金作為負(fù)極，F(xiàn)eS和FeS2為正極[3]。

1.2 鋰離子電池快速發(fā)展階段(1980—2000年)

1980年，Armand[4]提出以可嵌入式材料替代金屬鋰作為電池負(fù)極材料，體系中鋰離子可往返嵌入脫出，這種概念的電池被形象地稱為“搖椅電池”?！皳u椅電池”創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)，避免了鋰金屬作為電池負(fù)極形成鋰枝晶所引發(fā)的安全問題。

研究人員做了大量的研究工作，尋找可應(yīng)用于鋰離子電池的正極材料和負(fù)極材料。在1980年，Goodenough教授[5]報(bào)道了層狀結(jié)構(gòu)材料LiCoO2，層間可以供鋰離子嵌入脫出。隨后，SONY公司最早開發(fā)了商業(yè)化的鋰離子電池，使用LiCoO2作為正極材料和碳作為負(fù)極材料[6]，極大地推動(dòng)了鋰離子電池商業(yè)化的進(jìn)程。

1997年，Goodenough教授[7]又報(bào)道了磷酸鐵鋰材料，其特性可以滿足動(dòng)力鋰離子電池的要求，在容量、循環(huán)性能和安全性方面都明顯提高。

1.3 鋰離子電池發(fā)展的新階段(2000年至今)

2000年以后，鋰離子電池發(fā)展進(jìn)入新階段，目前正極材料研究較多的有尖晶石狀的LiMn2O4，層狀的LiNil-xCoxO2、LiMn1-xCoxO2、LiNi1-xMnxO2、LiNi1-x-xCoxMnxO2，富鋰材料和聚陰離子型材料LiMPO4(M為Fe、Mn、V等)；負(fù)極材料研究較多的有碳基材料、硅基材料、錫基材料和鈦酸鋰等。除此之外，對鋰-硫電池、鋰-空氣電池和金屬鋰負(fù)極也進(jìn)行了深入的研究，并取得了長足的發(fā)展。

2 鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池(圖1)主要由能夠發(fā)生可逆脫嵌反應(yīng)的正負(fù)極材料、能夠傳輸鋰離子的電解質(zhì)和隔膜組成。充電時(shí)，鋰離子從正極活性物質(zhì)中脫出，在外電壓的驅(qū)使下經(jīng)電解液向負(fù)極遷移，嵌入負(fù)極活性物質(zhì)中，同時(shí)電子經(jīng)外電路由正極流向負(fù)極，電池處于負(fù)極富鋰、正極貧鋰的高能狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)換；放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極脫嵌，遷移至正極后嵌入活性物質(zhì)的晶格中，外電路電子由負(fù)極流向正極形成電流，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)換[8]。

圖1 鋰離子電池充放電過程示意圖[8]

如果以LiCoO2為正極，石墨化的碳材料為負(fù)極，則鋰離子電池表達(dá)式為：

3 鋰離子電池的特點(diǎn)

鋰離子電池之所以得到迅速的發(fā)展是由于同鉛酸電池(lead acid)、鎳鎘電池(Cd/Ni)和鎳氫電池(MH/Ni)相比具有更優(yōu)的性能(圖2)。

鋰離子電池的性能優(yōu)勢主要有以下方面[9]：

(1)比能量高。鋰離子電池的質(zhì)量比能量是鎳鎘電池的2倍以上，是鉛酸電池的4倍，即同樣儲(chǔ)能條件下體積僅是鎳鎘電池的一半。因此，便攜式電子設(shè)備使用鋰離子電池可以使其小型輕量化。

(2)工作電壓高。一般單體鋰離子電池的電壓約為3.6 V，有些甚至可達(dá)到4 V以上，是鎳鎘電池和鎳氫電池的3倍，鉛酸電池的2倍。

(3)循環(huán)使用壽命長。80%DOD(放電深度)充放電可達(dá)1 200次以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他電池，具有長期使用的經(jīng)濟(jì)性。

(4)自放電小。一般月均放電率10%以下，不到鎳鎘電池和鎳氫電池的一半。

(5)電池中沒有環(huán)境污染，稱為綠色電池。

(6)較好的加工靈活性，可制成各種形狀的電池。

當(dāng)然，鋰離子電池也有一些待解決的問題，例如鋰離子電池內(nèi)部電阻較高，工作電壓變化較大，部分電極材料(如LiCoO2)的價(jià)格較高，充電時(shí)需要保護(hù)電路防止過充等。

4 鋰離子電池正極材料

鋰離子電池正極材料按照其組成材料的晶體結(jié)構(gòu)[10]類型來分，可分為：層狀氧化物L(fēng)iMO2(如鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰等)、多元復(fù)合的氧化物、尖晶石型LiM2O4(如錳酸鋰等)、聚陰離子型化合物(如磷酸鐵鋰、磷酸釩鋰、磷酸錳鋰等)和富鋰材料等。

4.1 層狀氧化物鈷酸鋰LiCoO2

鈷酸鋰材料的結(jié)構(gòu)為理想的α-NaFeO2層狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)計(jì)算，鈷酸鋰材料的理論比容量為274 mAh/g。在應(yīng)用中其實(shí)際比容量可達(dá)140 mAh/g；在較高的充電電壓下，其比容量可達(dá)到200 mAh/g。鈷酸鋰在作為正極材料時(shí)，其作為骨架作用幫助鋰離子的嵌入和脫出的過程比較穩(wěn)定。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在鈷酸鋰材料充放電過程中約有50%的鋰離子會(huì)進(jìn)行可逆的嵌入和脫出。鋰離子從鈷酸鋰材料中過度的脫嵌，會(huì)對材料的本體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，使其穩(wěn)定性和循環(huán)性能降低。

鈷酸鋰材料是目前最成熟的鋰離子電池正極材料。鈷酸鋰材料具有充放電性能穩(wěn)定、材料易于合成的優(yōu)點(diǎn)，但是鈷資源匱乏，價(jià)格比較昂貴，這是限制鈷酸鋰材料更大規(guī)模使用的主要原因，而且鈷材料具有一定的毒性，這也影響了其進(jìn)一步應(yīng)用。因此人們正開發(fā)其他正極材料來取代鈷酸鋰材料。

4.2 層狀氧化物鎳酸鋰LiNiO2

鎳酸鋰的空間群為R-3m，屬于α-NaFeO2的結(jié)構(gòu)。鎳酸鋰材料理論比容量為275 mAh/g，實(shí)際使用中比容量可達(dá)到200 mAh/g。此外，鎳酸鋰價(jià)格低廉，無毒，與許多電解質(zhì)溶液相容性好。但是鎳酸鋰的制備難度相當(dāng)大，條件要求很苛刻，這限制了鎳酸鋰材料的實(shí)際應(yīng)用[11]。

4.3 尖晶石型錳酸鋰LiMn2O4

尖晶石型錳酸鋰屬于立方晶系。其理論比容量為148 mAh/g，而實(shí)際充放電比容量只有120 mAh/g。錳酸鋰材料的價(jià)格低廉，且資源豐富，出于成本考慮錳酸鋰材料的廣泛應(yīng)用具有很好的基礎(chǔ)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，其制備成本為同等條件下鈷酸鋰材料制備成本的5%，錳酸鋰材料因此具有很大的優(yōu)勢。目前所使用的電解液中含有微量的HF，它會(huì)使電極材料中的錳酸鋰溶解，并且錳酸鋰對其溶解具有自催化效應(yīng)，加劇了錳的溶解，因而錳酸鋰的循環(huán)性能較差。

4.4 二元復(fù)合的氧化物L(fēng)iMxMn2-xO4

二元復(fù)合的氧化物L(fēng)iMxMn2-xO4是采用過渡金屬元素?fù)诫s尖晶石型錳酸鋰的材料，最顯著的優(yōu)勢是具有一個(gè)很高的電壓平臺(一般可達(dá)到4.5 V以上)，其中，研究最多的是LiNi0.5Mn1.5O4。LiNi0.5Mn1.5O4在充放電過程中電壓平臺在4.7 V左右，對應(yīng)于Ni3+/Ni4+的轉(zhuǎn)化。LiNi0.5Mn1.5O4的理論比容量為146.7 mAh/g，由于其電壓平臺很高，也是高能量密度的鋰離子電池。

4.5 三元復(fù)合的氧化物L(fēng)iNixCoyMn1-x-yO2

鎳鈷錳三元系正極材料由于協(xié)同效應(yīng)，其電化學(xué)性能優(yōu)于任何單一組元，集合了三者的優(yōu)點(diǎn)，也彌補(bǔ)了各自的不足，具有高的比容量、低成本、循環(huán)性能好、安全性能高等特點(diǎn)。鈷元素作為骨架可以穩(wěn)定電極材料的層狀結(jié)構(gòu)，減少循環(huán)過程中離子的混排；鎳元素是保證材料具有高容量的基礎(chǔ)；錳元素則主要起穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)作用，提高材料的安全性，同時(shí)降低成本。三元系的正極材料的理論比容量為277 mAh/g，其實(shí)際比容量為200 mAh/g[12]，高于已經(jīng)廣泛使用的鈷酸鋰正極材料，被認(rèn)為是理想的取代鈷酸鋰材料的正極材料。

4.6 聚陰離子型化合物

磷酸鐵鋰材料理論比容量可達(dá)到170 mAh/g，工作電壓大約為3.4 V，可作為動(dòng)力型鋰離子電池。橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4屬于正交晶系，空間群為Pnma，其結(jié)構(gòu)決定了穩(wěn)定性好，但是磷酸鐵鋰也有很多不足之處，如：導(dǎo)電率低，只有10-9S/cm；鋰離子擴(kuò)散系數(shù)低；振實(shí)密度低。這些缺點(diǎn)嚴(yán)重地影響了磷酸鐵鋰的產(chǎn)業(yè)化。目前磷酸鐵鋰材料主要的改性方法有表面包覆導(dǎo)電材料、摻雜金屬離子以及減小材料的粒徑至納米級。

磷酸釩鋰(Li3V2(PO4)3)和磷酸錳鋰(LiMnPO4)也是兩個(gè)重要的聚陰離子型正極材料。磷酸釩鋰(Li3V2(PO4)3)具有兩種結(jié)構(gòu)，分別是菱方結(jié)構(gòu)和單斜結(jié)構(gòu)，理論比容量高達(dá)197 mAh/g，具有很好的應(yīng)用前景。橄欖石型結(jié)構(gòu)的磷酸錳鋰(LiMnPO4)具有較高的充電電壓，但是導(dǎo)電性能很差，限制了其應(yīng)用。

有研究報(bào)道，使用Li3V2(PO4)3和LiFePO4制備復(fù)合電極材料具有很好的倍率性能。Zheng等[13-15]使用固相法制備了Li3V2(PO4)3-LiVPO4F、LiFePO4-Li3V2(PO4)3、LiFePO4-Li3V2(PO4)3-LiVPO4F和LiVP2O7-Li3V2(PO4)3-LiVPO4F復(fù)合電極材料，使用水熱法原位合成了LiVOPO4@V2O5核殼結(jié)構(gòu)納米球形正極材料，其復(fù)合材料的電化學(xué)性能明顯優(yōu)于單一電極材料。

4.7 富鋰材料xLi2MnO3·(1-x)LiMO2

富鋰材料分子式可以寫為xLi2MnO3·(1-x) LiMO2(M為Ni、Co、Ni1/3Co1/3Mn1/3等)。富鋰材料可逆比容量高達(dá)200～300 mAh/g，工作電壓高達(dá)5 V，在正極材料中具有最高的能量密度；同時(shí)富鋰材料循環(huán)穩(wěn)定性較好，價(jià)格低廉[14-17]。但是，富鋰材料首次不可逆容量損失大(＞50 mAh/g)，導(dǎo)致首次循環(huán)效率低(～60%)。由于錳導(dǎo)電性能很差，富鋰材料的倍率性能較差，這些缺點(diǎn)嚴(yán)重制約富鋰材料的應(yīng)用。目前富鋰材料主要的改性方法有表面包覆、材料納米化等。

5 鋰離子電池負(fù)極材料

鋰離子電池負(fù)極材料分為碳材料、錫基材料、硅基材料、鈦酸鋰Li4Ti5O12和過渡金屬氧化物。

5.1 碳材料

目前，碳材料是鋰離子電池中使用最廣泛的負(fù)極材料。碳材料的優(yōu)點(diǎn)在于其嵌鋰電勢低(＜1.0 V vs. Li+/Li )、循環(huán)穩(wěn)定。碳材料可以分為石墨化碳和非石墨化碳。石墨化碳有天然石墨、人造石墨等。非石墨化碳包含軟碳和硬碳。軟碳是指在高溫下可以石墨化的碳材料；硬碳是指在高溫下也無法石墨化的碳材料。

石墨化碳的碳具有層狀結(jié)構(gòu)，層間距為0.335 nm，層間為較弱的范德華力連接。石墨化碳的嵌鋰機(jī)理是鋰離子能夠可逆地嵌入石墨層間，形成石墨插層化合物，嵌鋰后其理論式為LiC6[13,18]。石墨化碳的理論比容量為372 mAh/g，但由于雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷，其實(shí)際比容量為300 mAh/g左右。石墨化碳由于無法形成穩(wěn)定的SEI膜，導(dǎo)致其首次充放電庫侖效率低，循環(huán)性能差，且其對電解質(zhì)敏感。通過對石墨化碳改性處理如表面包覆、摻雜可改善其效率低和循環(huán)性能差的缺點(diǎn)。

軟碳主要指中間相碳微球(MCMB)，其容量為320 mAh/g左右。硬碳是高分子聚合物的熱解碳，是難以石墨化的碳，由相互交聯(lián)疊加的單石墨層構(gòu)成，因此具有更大的比表面積和更大的比容量，但是循環(huán)性能較差，不可逆容量高。

5.2 錫基材料

錫基材料可以可逆脫嵌鋰，1 mol錫可以與4.4 mol鋰發(fā)生反應(yīng)，其理論比容量高達(dá)994 mAh/g。錫基材料主要有金屬錫、錫的氧化物(SnO、SnO2)、錫的合金以及錫-碳復(fù)合材料。

錫基材料體積效應(yīng)嚴(yán)重，充放電過程中電極材料反復(fù)膨脹收縮，最終材料粉化，結(jié)構(gòu)坍塌，因此錫基材料循環(huán)性能欠佳。

目前錫基材料的研究重點(diǎn)是使材料納米化或非晶化，以提高材料的循環(huán)性能。

5.3 硅基材料

硅基材料可以與鋰形成合金Li22Si5，其理論比容量高達(dá)4 200 mAh/g，是目前比容量最高的負(fù)極材料。硅基材料嵌鋰電勢很低(＜0.5 V vs. Li+/Li)，在循環(huán)過程中不容易形成鋰枝晶，是一種高能量的鋰離子電池電極材料。

在循環(huán)過程中，鋰在硅基材料中嵌入和脫出，伴隨著很大的體積效應(yīng)(可達(dá)到400%)，因此硅基材料的循環(huán)性能較差。而且，硅基材料是一種半導(dǎo)體材料，導(dǎo)電性能一般。

目前硅基材料的研究熱點(diǎn)是制備硅-碳復(fù)合材料和納米硅，來抑制硅基材料的體積效應(yīng)。

5.4 鈦酸鋰Li4Ti5O12

鈦酸鋰Li4Ti5O12是尖晶石結(jié)構(gòu)，其理論比容量為175 mAh/g。Li4Ti5O12在充放電過程中，體積變化不到0.2%，是一種“零應(yīng)變”的材料，循環(huán)性能非常優(yōu)秀。鈦酸鋰Li4Ti5O12電壓平臺為1.5 V，容量集中在平臺區(qū)域，材料在循環(huán)過程中不會(huì)形成SEI膜，也不會(huì)析出金屬鋰。Li4Ti5O12制備工藝簡單，價(jià)格便宜。

作為負(fù)極材料，Li4Ti5O12平臺電壓1.5 V略高，相比于碳負(fù)極的電壓平臺(＜1.0 V)和硅負(fù)極的電壓平臺(＜0.5 V)，電池能量密度劣勢明顯。

5.5 過渡金屬氧化物

過渡金屬氧化物材料在嵌鋰時(shí)會(huì)形成Li2O，在脫鋰時(shí)可以重新形成金屬氧化物[16,19]。這類材料理論比容量通常為700 mAh/g左右。

過渡金屬氧化物中主要有Co、Ni、Cu、Fe、Mn、Ti、V等金屬的氧化物。作為鋰離子電池負(fù)極材料的嵌鋰機(jī)理為

過渡金屬氧化物作為鋰離子電池負(fù)極材料，可以提高電池的容量。但是這類材料體積效應(yīng)顯著，循環(huán)性能較差，不可逆容量損失大，同時(shí)制備工藝復(fù)雜，制備成本高。因此目前的研究還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

6 鋰離子電池電解質(zhì)體系

在鋰離子電池中，電解質(zhì)承載傳輸鋰離子的作用，因此電解質(zhì)的性質(zhì)也會(huì)決定鋰離子電池的性能。鋰離子電池電解質(zhì)體系一般由電解質(zhì)鋰鹽、電解質(zhì)有機(jī)溶劑和穩(wěn)定成分的添加劑組成。

電解質(zhì)鋰鹽種類很多，主要有LiPF6、LiClO4和LiAsF6等[17,20]。LiClO4是早期研究的電解質(zhì)鋰鹽，具有很強(qiáng)的氧化性，容易引起電池安全性問題，目前使用較少。LiAsF6導(dǎo)電性較好，但是As元素的毒性限制了它的使用。LiPF6具有較好的離子電導(dǎo)率、較優(yōu)的穩(wěn)定性和較低的環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，是目前首選的鋰離子電池電解質(zhì)，但是其價(jià)格較高[18,21]。

電解質(zhì)溶劑必須是非質(zhì)子溶劑以保證足夠的電化學(xué)穩(wěn)定性和不與鋰發(fā)生反應(yīng)。溶劑的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)決定了電池工作的溫度范圍，一般要求高的沸點(diǎn)、低的熔點(diǎn)；介電常數(shù)和偶極距決定了鋰鹽在其中的溶解度；黏度決定著Li+在電解液中的流動(dòng)性；閃燃點(diǎn)與電池安全性密切相關(guān)[19,22]。常用的電解液溶劑體系有EC+DMC、EC+DEC、EC+DMC+EMC和EC+DMC+DEC等。

7 鋰離子電池發(fā)展面臨的問題

雖然鋰離子電池因其自身優(yōu)點(diǎn)，在交通、工業(yè)、軍事、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是，鋰離子電池在實(shí)際應(yīng)用中還存在很多的問題，主要有以下三個(gè)方面。

7.1 能量密度較低

從鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池，再到鋰離子電池，能量密度一直在不斷地提升。1991年，Sony公司首先將鋰離子電池進(jìn)行商業(yè)化，能量密度為80 Wh/kg。如今，鋰離子電池的能量密度達(dá)到260 Wh/kg?？墒翘嵘乃俣认鄬τ诠I(yè)規(guī)模的發(fā)展速度而言，顯得太慢了。可以說，電池能量密度是制約當(dāng)前鋰離子電池發(fā)展的最大瓶頸。

針對能量密度成為瓶頸的現(xiàn)狀，全球各國都制訂了相關(guān)的電池產(chǎn)業(yè)政策目標(biāo)。 日本政府在2009年提出了高能量密度鋰離子電池的研發(fā)目標(biāo)：至2020年鋰離子電池能量密度發(fā)展到250 Wh/kg，2030年達(dá)到500 Wh/kg，2030年后發(fā)展到700 Wh/kg?！吨袊圃?025》中確定的目標(biāo)是至2020年我國生產(chǎn)鋰離子電池能量密度達(dá)到300 Wh/kg，2025年達(dá)到400 Wh/kg，2030年要達(dá)到500 Wh/kg?？梢姡壳吧虡I(yè)化鋰離子電池的能量密度與國家確定的技術(shù)目標(biāo)還存在一定差距。

吳嬌楊[20,23]對常用的鋰離子電池和金屬鋰離子電池電極材料的能量密度進(jìn)行了計(jì)算(圖3)。計(jì)算表明，正極材料采用Li-rich-300和負(fù)極材料采用Si-C-2000的電芯體系，在目前的電池體系中具有最高質(zhì)量能量密度584 Wh/kg(該數(shù)據(jù)不包含封裝材料和極耳)以及最高體積能量密度1 645 Wh/L?？梢钥闯?，該體系能量密度符合國家確定的技術(shù)目標(biāo)的發(fā)展。但是，富鋰錳基材料和硅基材料要實(shí)現(xiàn)300 mAh/g和2 000 mAh/g還存在許多技術(shù)困難。

圖3 以負(fù)極材料Si-C-2000與不同正極材料匹配的鋰離子電池能量密度

7.2 倍率性能

鋰離子電池的充放電倍率，決定了可以以多快的速度將一定的能量存儲(chǔ)到電池里面，或者以多快的速度將電池里面的能量釋放出來。

鋰離子電池的性能已經(jīng)有了長足的進(jìn)步，但當(dāng)其在高倍率下充放電時(shí)容量衰減很快，安全性能變差。例如：將鋰離子電池用于電動(dòng)汽車，其動(dòng)力仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于傳統(tǒng)的燃油機(jī)，這影響著電動(dòng)汽車的加速、爬坡能力。使用磷酸鐵鋰材料作為正極時(shí)，鋰離子電池循環(huán)穩(wěn)定，安全可靠。但是由于磷酸鐵鋰材料表面電子導(dǎo)電率和離子導(dǎo)電率很差，導(dǎo)致其倍率性能很差，極大限制了磷酸鐵鋰材料作為鋰離子電池正極的使用，目前改性磷酸鐵鋰材料提高其倍率性能仍是研究熱點(diǎn)。

鋰離子電池的充放電倍率性能主要與鋰離子電池的電極材料和電解質(zhì)有關(guān)。電極材料的類型、結(jié)構(gòu)、尺寸和表面電阻會(huì)直接或間接影響電極的內(nèi)阻，進(jìn)而對鋰離子電池的倍率性能產(chǎn)生影響。電解質(zhì)的鋰離子傳導(dǎo)能力和電化學(xué)窗口會(huì)影響電池的嵌鋰程度、循環(huán)性能和安全性能。

因此，在提高鋰離子電池能量密度的同時(shí)，也應(yīng)考慮電池的倍率性能。

7.3 一致性

鋰離子電池的額定電壓一般為3.7 V左右，在實(shí)際應(yīng)用中需要大量的鋰離子電池串、并聯(lián)形成的電池組，例如Tesla的Model S電動(dòng)汽車使用了7 104塊18650型電池。如果電池的一致性達(dá)不到要求，電池系統(tǒng)將不能讓每個(gè)電池的性能發(fā)揮出來。因此，單個(gè)電池的性能一致性是至關(guān)重要的。

8 結(jié)論與展望

鋰離子電池由于其結(jié)構(gòu)特性，使其相比傳統(tǒng)的二次電池具有比能量高、無記憶效應(yīng)、工作電壓高以及安全、長壽命的特點(diǎn)。以上綜述了目前常用的鋰離子電池正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。但是在實(shí)際應(yīng)用中，鋰離子電池還存在能量密度較低、倍率性能不夠及一致性較差的問題。未來，鋰離子電池將向著進(jìn)一步提升能量密度的方向發(fā)展，包括采用金屬鋰作為負(fù)極材料、嵌入式化合物作為正極材料、聚合物固態(tài)電解質(zhì)和采用鋰-硫電池、鋰-空氣電池等。

(2017年6月14日收稿)

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(編輯：溫文)

全球首次發(fā)現(xiàn)雙粲重子

歐洲核子研究中心2017年7月6日宣布，經(jīng)多國科學(xué)家共同努力，在世界上首次發(fā)現(xiàn)了一種被稱為雙粲重子的新粒子，這將有助于人類深入理解物質(zhì)的構(gòu)成和強(qiáng)相互作用的本質(zhì)。中國團(tuán)隊(duì)對這一發(fā)現(xiàn)功不可沒。

在現(xiàn)代粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型理論中，夸克是基本粒子，而重子是由3個(gè)夸克組成的復(fù)合粒子。幾乎所有物質(zhì)都由重子組成，其中最廣為人知的就是組成物質(zhì)原子核的質(zhì)子和中子。

夸克有6種，分別稱為上、下、奇、粲、頂和底夸克，上、下夸克質(zhì)量最小，奇、粲、頂、底夸克質(zhì)量較大。質(zhì)量大的夸克只能經(jīng)由高能粒子的碰撞產(chǎn)生，如宇宙射線或粒子加速器，然后會(huì)通過粒子衰變迅速變成上夸克或下夸克。理論上不同類型的夸克相互組合可以形成不同的重子，但此前已發(fā)現(xiàn)的重子最多只包含一個(gè)質(zhì)量較大的夸克，此次是實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)含兩個(gè)重夸克的重子。

[][]

這一最新發(fā)現(xiàn)來自歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)上的底夸克探測器(LHCb)合作組。據(jù)介紹，這種雙粲重子含有兩個(gè)質(zhì)量較大的粲夸克和一個(gè)上夸克，質(zhì)量約3 621兆電子伏，幾乎是質(zhì)子質(zhì)量的4倍，理論預(yù)期其內(nèi)部結(jié)構(gòu)迥異于普通重子。相關(guān)研究論文已提交至美國《物理評論快報(bào)》。

雖然現(xiàn)有理論對雙粲重子早有預(yù)測，但真正發(fā)現(xiàn)這種含有兩個(gè)重夸克的重子，仍然耗費(fèi)了物理學(xué)家多年時(shí)間。

“發(fā)現(xiàn)這種雙粲重子意義重大，這將為進(jìn)一步探索用于描述夸克之間強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)提供一個(gè)獨(dú)特的工具?！盠HCb合作組發(fā)言人、意大利國家核物理研究院科學(xué)家喬瓦尼·帕薩萊瓦教授評價(jià)說。

帕薩萊瓦同時(shí)表示，底夸克探測器合作組的中國科學(xué)家對該粒子的發(fā)現(xiàn)作出了“關(guān)鍵性貢獻(xiàn)”。他說，中國粒子物理理論家推動(dòng)該分析向著正確的方向發(fā)展，并為最終取得研究成果提供了關(guān)鍵性建議。

底夸克探測器是歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對撞機(jī)上的粒子物理實(shí)驗(yàn)裝置之一，專門研究重夸克粒子的產(chǎn)生和衰變。LHCb合作組有來自16個(gè)國家、72個(gè)機(jī)構(gòu)的1 185名成員。其中，中國組由清華大學(xué)、華中師范大學(xué)、中國科學(xué)院大學(xué)和武漢大學(xué)的研究人員組成，在強(qiáng)子性質(zhì)和電荷宇稱對稱性破缺等方面研究中成績斐然。中國組自2010年開始尋找雙粲重子，其發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步提升了中國組在國際大科學(xué)合作中的地位。

[關(guān)毅 編譯]

The present situation and expectation of lithium-ion battery

WANG Pengbo, ZHENG Junchao
College of Metallurgy and Environment, Central South University, Changsha 410083, China

Lithium-ion battery (LIB) has the advantages of high capacity, no memory effect, high working voltage, and long life. This paper reviews LIB’s development history, working principle, characteristics and components. The current technical challenges of LIB are analyzed, and the future development and perspectives pf LIB are also discussed.

lithium-ion battery, cathode material, anode material, electrolyte

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.04.006

?通信作者，E-mail: jczheng@csu.edu.cn