鋰離子動(dòng)力電池發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

胡浪　喬俊叁

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域成為了支撐我國(guó)的中堅(jiān)力量。而在電池技術(shù)中，鋰離子動(dòng)力電池因“能量高”、“壽命長(zhǎng)”的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在的生活中。在正常的應(yīng)用中，鋰離子動(dòng)力電池在溫度范圍具有非常明顯的“耐受性”。鋰離子動(dòng)力電池的工作原理非常簡(jiǎn)單，一般都將鋰離子動(dòng)力電池中的“金屬鋰”作為負(fù)極，正極則以“SOCL2”、“MNO2”等。在工業(yè)領(lǐng)域，鋰離子動(dòng)力電池在手機(jī)、PC、iPad、攝像機(jī)等都有著廣泛作用。在電壓的橫向比對(duì)中，“酸電池”、“鎳電池”與鋰離子動(dòng)力電池相比，鋰離子動(dòng)力電池的電壓較高，在保證周?chē)h(huán)境不受污染的前提下釋放出較大的能量。文章將就鋰離子動(dòng)力電池的發(fā)現(xiàn)狀及應(yīng)用前景展開(kāi)討論。

關(guān)鍵詞：鋰離子動(dòng)力電池 發(fā)展現(xiàn)狀 應(yīng)用前景 綜合探討

Development Status and Application Prospects of Lithium-ion Power Batteries

Hu Lang，Qiao Junsan

Abstract：With the continuous development of social and economic strength， the industrial field has become the backbone of my country. In battery technology， lithium-ion power batteries are widely used in daily life due to their “high energy” and “l(fā)ong life” characteristics. In normal applications， lithium-ion power batteries have very obvious “resistance” in the temperature range. The working principle of lithium ion power battery is very simple. Generally， the “metal lithium” in the lithium ion power battery is used as the negative electrode， and the positive electrode is “SOCL2”， “MNO2” and so on. In the industrial field， lithium-ion power batteries are widely used in mobile phones， PCs， iPads， and cameras. In the horizontal comparison of voltages， “acid batteries” and “nickel batteries” are compared with lithium-ion power batteries. Lithium-ion power batteries have a higher voltage， which releases greater energy while ensuring that the surrounding environment is not polluted. The article will discuss the discovery and application prospects of lithium-ion power batteries.

Key words：Li-ion power battery， development status， application prospect， comprehensive discussion

在電池領(lǐng)域，隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)水平的不斷提升，鋰離子動(dòng)力電池因具備“較高的能量”、“較高的安全性”以及“較高的可靠性”等要素，在各種設(shè)備中得到了全面的應(yīng)用。在以往的電池應(yīng)用中，很多電池只做到了“標(biāo)”，而未做到“本”。因此，在整體的性能中并未具備優(yōu)秀的性能，在整體的發(fā)展中很容易造成整體環(huán)境的影響，與我國(guó)“綠色發(fā)展”的觀點(diǎn)背道而馳。而鋰離子動(dòng)力電池與相比，自身具有較高的環(huán)保性，對(duì)人體的不良影響性較小。此外，得益于鋰離子動(dòng)力電池自身的續(xù)航性以及綜合能力，使其“性能較高”，且“自身使用壽命長(zhǎng)”。因此，針對(duì)于鋰離子動(dòng)力電池，相關(guān)的技術(shù)人員可以結(jié)合自身的特性，將其有效的應(yīng)用在各行業(yè)中。

1 鋰離子電池基本原理及其相關(guān)特點(diǎn)

在鋰離子電池的構(gòu)成中，其自身由“正極”、“負(fù)極”、“隔膜”以及“電解液”構(gòu)成。其中，鋰離子動(dòng)力電池的正、負(fù)極材料可以有效的實(shí)現(xiàn)嵌脫鋰離子。在整體的工作模式中，鋰離子動(dòng)力電池采用了一種類(lèi)似于“搖椅式”的工作原理[1]。在鋰離子動(dòng)力電池整體的充放電過(guò)程中，其Li+可以在正極、負(fù)極間實(shí)現(xiàn)“穿梭式交換”，通過(guò)類(lèi)似于“搖椅”的循環(huán)處理，完成鋰離子動(dòng)力電池的充電與放電過(guò)程。在鋰離子動(dòng)力電池的原理分析中，以“石墨”材料作為負(fù)極，“LiCoO2”為正極的電池為例，整體的“自沖自放”式化學(xué)反應(yīng)式如圖1所示。

因此，在日常生活、工業(yè)領(lǐng)域中運(yùn)用鉀離子電池，其自身具有“能量高”的特點(diǎn)。在質(zhì)量比、能量和體積比中，鋰離子動(dòng)力電池的能量可達(dá)到120～200W·h/kg和300W·h/L左右[2]。此外，鋰離子動(dòng)力電池自身的放電電壓非常非常之高，據(jù)相關(guān)測(cè)試，鋰離子動(dòng)力電池的3.2～4.2V以上;鋰離子動(dòng)力電池在理想的存放環(huán)境下，其自身的自放電率僅為5%左右，減少了持續(xù)充電導(dǎo)致的“電池峰值”下降。鋰離子動(dòng)力電池在發(fā)展過(guò)程中的循環(huán)壽命較長(zhǎng)，其無(wú)記憶效應(yīng)。

2 離子動(dòng)力電池發(fā)展現(xiàn)狀

作為一種新型電池技術(shù)，鋰離子動(dòng)力電池與一般電池相比，在保持自身穩(wěn)定性的作用下具有較高的電壓與能量。在鋰離子動(dòng)力電池中，其自身的“正極材料”與電池之間的性能具有非常密切的聯(lián)系[3]。同時(shí)，良好的正極材料還將對(duì)電池的“整體安全性”、“整體能量密度”、“整體比功率特性”等要素都具有重大影響。在后續(xù)的實(shí)際使用中，相應(yīng)的正極材料較多，例如“LiFePO4”、“LiNi1/3”、“Co1/3”等。在材料中，“LiCoO2”自身具有“比能量”、“穩(wěn)定性高”、“工作性能優(yōu)良”的特點(diǎn)。在一般情況下，“LiCoO2”因電池容量較小，因此在一些小型設(shè)備中應(yīng)用較多。在“LiN-i1/3Co1/3Mn1/3O2”具有較大容量，其容量可能達(dá)到165mAh/g以上。因此，“LiN-i1/3Co1/3Mn1/3O2”在許多方面都能發(fā)揮出較好作用。在實(shí)際使用中，“LiN-i1/3Co1/3Mn1/3O2”具有非常高的安全性。在循環(huán)性中，其整體具有一定的“安全性”、“循環(huán)功能”以及“耐高溫性能”，因此，在綜合性能的比對(duì)中，整體的發(fā)展局勢(shì)較好。此外，除“LiN-i1/3Co1/3Mn1/3O2”之外，“LiFePO4”自身的能量較低，整體的振實(shí)密度較低。此外由于每種的“正極材料”都具有不同的特性，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)稈中，鋰離子動(dòng)力電池應(yīng)根據(jù)整體的需要選擇合適的材料。在鋰離子動(dòng)力電池的選擇中，其自身主要有兩種使用形式，分別為固定的“碳類(lèi)材料”以及“非碳類(lèi)材料”。在整體的運(yùn)用性方面，處于安全性以及成本考量，整體以碳類(lèi)材料種類(lèi)較多[4]。此外，在鋰離子動(dòng)力電池中的“碳類(lèi)材料”中，分別為“硬碳”、“軟碳”、“天然石墨”以及“復(fù)合碳”等。這些具有明顯碳類(lèi)基礎(chǔ)的材料在鋰離子動(dòng)力電池的實(shí)際運(yùn)用中起到了非常良好的效果。此外，“碳類(lèi)材料”還具有原材料廣泛性的特點(diǎn)，其材料的獲取途徑較多，且相關(guān)的使用成本較低。但碳材料在具有廣泛應(yīng)用性的同時(shí)其自身也具有一定的劣勢(shì)，例如在進(jìn)行第一次循環(huán)時(shí)，鋰離子動(dòng)力電池中的“碳類(lèi)材料”會(huì)損失掉較多的不可逆容量。此外，由于碳類(lèi)材料的特殊性，其在高溫狀態(tài)下，碳材料的基本特性極易與電解液產(chǎn)生相關(guān)反應(yīng)，嚴(yán)重者可能會(huì)出現(xiàn)“能量轟聚”，發(fā)生爆炸事故。

3 動(dòng)力電池的應(yīng)用前景

在鋰動(dòng)力電池的應(yīng)用中，得益于其超高的應(yīng)用性，因此在“便攜式設(shè)備”、“衛(wèi)星”、“儲(chǔ)備電源”、“電動(dòng)汽車(chē)”等各領(lǐng)域得到綜合性發(fā)展。在我國(guó)目前大力推崇的“二次電源”運(yùn)用中，具有絕佳的的潛力以及廣闊的前景[5]。目前，在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，鋰動(dòng)力電池被廣泛運(yùn)用（如新能源汽車(chē)等）。此外，許多著名的汽車(chē)廠商針對(duì)于鋰離子動(dòng)力電池都致力于開(kāi)發(fā)“純電動(dòng)汽車(chē)”以及“混合動(dòng)力汽車(chē)”值得一提的是，我國(guó)“863新能源汽車(chē)”在鋰離子動(dòng)力電池領(lǐng)域得到了非常重要的實(shí)際突破。在整體的實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)以及自身的努力，將我國(guó)鋰動(dòng)力電池行業(yè)進(jìn)行了整體提升，實(shí)現(xiàn)了綜合發(fā)展。在針對(duì)鋰離子動(dòng)力電池的未來(lái)發(fā)展中，以“新能源汽車(chē)”為例。其自身根據(jù)鋰離子動(dòng)力電池的前景設(shè)立了綜合發(fā)展目標(biāo)，在2012年，實(shí)現(xiàn)我國(guó)國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)“100萬(wàn)輛”的年產(chǎn)值。保守估計(jì)，這將對(duì)鋰動(dòng)力電池的需求將有效達(dá)到至少5000兆瓦時(shí)。此外，不少商家都在2009年的上海車(chē)展上，推出了基于鋰動(dòng)力的汽車(chē)。在“BYD”的“e6”系列中，其設(shè)計(jì)理念整體采用了高安全性的“磷酸鐵鋰”材料。此外，鋰離子動(dòng)力電池在我國(guó)的航天及軍事應(yīng)用中，因其自身優(yōu)良的特性得到了有效的運(yùn)用。作為享有“第三代航天電源”之稱(chēng)的鋰離子動(dòng)力電池，因其優(yōu)良的特性得到了世界各國(guó)的廣泛認(rèn)知。在“NASA”、“ESA”、“JAXA”等已經(jīng)就鋰離子動(dòng)力電池進(jìn)行了多年的研究工作。英國(guó)更是在其“STRV-d”小型衛(wèi)星將鋰離子電池作為貯能電源，開(kāi)創(chuàng)了世界先例。而我國(guó)也在2008年對(duì)鋰離子動(dòng)力電池進(jìn)行了有效運(yùn)用，例如在2008年發(fā)射的“神七伴星”。這項(xiàng)航空技術(shù)的貯能電源也采用了鋰離子電池技術(shù)。目前，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，已由20多顆衛(wèi)星在后續(xù)的運(yùn)行中采用了鋰離子電池作為貯能電源。此外，在后續(xù)的發(fā)射中，計(jì)劃采用鋰離子電池的共計(jì)約有10多顆。在鋰離子電池的材料和技術(shù)的成熟的未來(lái)，相信將會(huì)有更多的航天器采用鋰離子電池作為貯能電源[6]。

雖然鋰動(dòng)力電池具有非常卓越的應(yīng)用性，但其未來(lái)使用中依然有部分亟待改進(jìn)之處。根據(jù)相關(guān)調(diào)查研究，“昂貴的價(jià)格”以及“具有一定的要求性”成為了發(fā)展鋰離子動(dòng)力電池的最大阻礙。但隨著“LIFEPO4”、“LIATISO12”等具有“高壽命性”以及“高安全性”的材料作為鋰離子電池，鋰動(dòng)力電池技術(shù)將在未來(lái)發(fā)揮更大的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在鋰離子動(dòng)力電池發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景中，隨著我國(guó)鋰離子動(dòng)力電池的全新發(fā)展，鋰離子電池的份額發(fā)展迅猛。在我國(guó)未來(lái)的綜合發(fā)展中，鋰離子電池必將實(shí)現(xiàn)多方面的改進(jìn)。在改進(jìn)中，其具備“高安全性”、“高效率性”、“高長(zhǎng)壽命”、“低成本性”將作為鋰離子電池技術(shù)發(fā)展的核心方向和追求目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張紅妮，張雅麗，王虹霞.電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池現(xiàn)狀與發(fā)展[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2019，（6）：16-17.

[2]王鑫.鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)分析及對(duì)策[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2018，（14）：211.

[3]劉彥龍.中國(guó)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)[J].電源技術(shù)，2019，43（2）：181-187.

[4]胡敏，王恒，陳琪.電動(dòng)汽車(chē)鋰離子動(dòng)力電池發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2020，（9）：8-10.

[5]劉國(guó)芳，趙立金，王東升.國(guó)內(nèi)外鋰離子動(dòng)力電池發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].汽車(chē)工程師，2018，（3）：11-13.

[6]劉焱，胡清平，陶芝勇，等.鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)高新科技，2018，（7）：58-64.