鋰離子電池的相關(guān)介紹03版

1、鋰離子電池是以嵌鋰化合物作為正、負(fù)極材料的電池。探索新型鋰離子電池電極材料以及對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，可以擴(kuò)大鋰離子的電池的應(yīng)用領(lǐng)域。鋰離子電池的相關(guān)介紹目 錄鋰離子電池的相關(guān)介紹1鋰離子電池發(fā)展史1鋰離子電池的組成成分及工作原理11鋰離子電池正極材料22鋰離子電池負(fù)極材料43電解質(zhì)材料64隔膜7鋰離子電池在車用電池方面的應(yīng)用7展望8參考文獻(xiàn)9鋰離子電池的相關(guān)介紹摘要：鋰離子電池是以嵌鋰化合物作為正、負(fù)極材料的電池。探索新型鋰離子電池電極材料以及對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，可以擴(kuò)大鋰離子電池的應(yīng)用領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：鋰離子電池；電極材料；車用鋰離子電池鋰離子電池發(fā)展史20世紀(jì)70年代?？松腗.S.Whittingham采

2、用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成首個(gè)鋰電池。1982年伊利諾伊理工大學(xué)(the Illinois Institute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性，此過程是快速并且可逆的。但與此同時(shí)，采用金屬鋰制成的鋰電池，其安全問題也備受關(guān)注，因此人們嘗試?yán)娩囯x子嵌入石墨的特性制作充電電池。首個(gè)可用的鋰離子石墨電極由貝爾實(shí)驗(yàn)室試制成功。1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人發(fā)現(xiàn)錳尖晶石是優(yōu)良的正極材料，具有低價(jià)、穩(wěn)定和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)鋰性能。其分解溫度高，且氧化性遠(yuǎn)低于鈷酸鋰，即使出現(xiàn)短路、過充電

3、，也能夠避免了燃燒、爆炸的危險(xiǎn)。1989年，A.Manthiram和J.Goodenough發(fā)現(xiàn)采用聚合陰離子的正極將產(chǎn)生更高的電壓。1991年日本索尼公司開發(fā)出了C/LiCoO2鋰離子二次電池系列產(chǎn)品。從此對(duì)鋰離子電池的研究與開發(fā)成為了世界的熱點(diǎn)。鋰離子電池革新了消費(fèi)電子產(chǎn)品的面貌。此類以鈷酸鋰作為正極材料的電池，至今仍是便攜電子器件的主要電源。目前，我國(guó)市場(chǎng)上鋰離子電池種類繁多，但90%以上均為液態(tài)鋰離子電池。新型的聚合物鋰離子電池和全固態(tài)鋰離子電池因技術(shù)尚不成熟，生產(chǎn)廠家很少。鋰離子電池除了按電解液分為上述液態(tài)鋰離子電池，聚合物鋰離子電池和全固態(tài)鋰離子外，按電池容量還可分為小型鋰離子電池

4、和大型鋰離子電池。我們常見的手機(jī)電池屬于前者，而大型鋰離子電池，也稱為動(dòng)力電池則廣泛應(yīng)用于電動(dòng)工具，電動(dòng)自行車和電動(dòng)汽車，而且市場(chǎng)前景相當(dāng)廣闊。鋰離子電池的組成成分及工作原理鋰離子電池是以嵌鋰化合物作為正、負(fù)極材料的電池。嵌鋰化合物多為層狀或框架結(jié)構(gòu)，充放電過程中鋰離子可在其層間可逆的嵌入與脫出而不改變其結(jié)構(gòu)。與其他種類電池相比，鋰離子電池具有開路電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量密度高、自放電低、無記憶效應(yīng)、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。簡(jiǎn)單的講，鋰離子電池的組成主要包括正極、負(fù)極、電解質(zhì)與隔膜4個(gè)部分。正極材料通常是一種嵌入化合物(intercalation compound)，在外界電場(chǎng)作用下化合物中的鋰可在

5、晶體中可逆脫出和嵌入;負(fù)極材料一般是層狀結(jié)構(gòu)的碳材料;常見電解質(zhì)為溶解有可溶鋰鹽(如LiPF6)的有機(jī)碳酸酯溶液。電池的充放電過程就是Li+在正負(fù)電極材料之間可逆地嵌入與脫嵌的過程。在充電時(shí)正極材料中的Li+脫離正極，進(jìn)入電解液，通過隔膜向負(fù)極方向遷移，在負(fù)極上捕獲電子被還原，并存貯在具有層狀結(jié)構(gòu)的石墨中;放電時(shí)，負(fù)極中的鋰會(huì)失去電子而成為L(zhǎng)i+，進(jìn)入電解液，穿過隔膜向正極方向遷移，并存貯在正極材料中。由于充放電過程中鋰離子是在正負(fù)極之間來回遷移，所以鋰離子電池早期也被稱為“搖椅電池”(rocking chair battery)。1鋰離子電池正極材料【1】理想的鋰離子電池正極材料應(yīng)具有以下品

6、質(zhì):電位高、比容量高、密度大(包括振實(shí)密度，壓實(shí)密度)、安全性好、低溫性能好、倍率性能佳和長(zhǎng)壽命等。正極材料中LiCoO2是目前應(yīng)用最為廣泛的鋰離子電池正極材料，1991年SONY公司率先推出的第一種商品鋰離子電池正極材料就是LiCoO2。由于其在電壓穩(wěn)定性、可逆性、充放電效率等方面具有優(yōu)良性能，再加上全球手機(jī)、數(shù)碼產(chǎn)品、電動(dòng)玩具等市場(chǎng)迅速發(fā)展，LiCoO2一直保持著強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。但由于原料Co成本很高，LiCoO2比容量較低 (138mAh/g)，且對(duì)環(huán)境有一定的污染，使得其必然會(huì)被新型的正極材料所取代。LiMn2O4具有價(jià)格低廉和安全性好等優(yōu)點(diǎn)，但由于Mn3+存在Jahn-Teller畸

7、變效應(yīng)，且Mn2+會(huì)溶于電解液等因素，使得其循環(huán)性能差，容量衰減嚴(yán)重，限制了應(yīng)用。LiFePO4與Li3V2 (PO4)3是近年來最得到人們廣泛關(guān)注的兩種鋰離子電池正極材料，LiFePO4主要特點(diǎn)是原料成本低，安全性高，無污染，循環(huán)壽命長(zhǎng)。而Li3V2(PO4)3主要特點(diǎn)是比容量高，電位高。此外還有LiNi0.5Mn1.5O4材料，其主要特點(diǎn)是電位高(4.7V vs Li)，能量密度高。1.1LiFePO41997年Goodenough等首次提出具有橄欖石結(jié)構(gòu)的聚陰離子材料磷酸亞鐵鋰(LiFePO4，亦稱磷酸鐵鋰)可以作為鋰離子電池正極材料，到現(xiàn)在LiFePO4已成為電動(dòng)汽車、電動(dòng)工具的理想電

8、極材料之一，得到世人的廣泛關(guān)注。LiFePO4（如圖一）具有橄欖石型結(jié)構(gòu)，正交晶系，空間群為Pnmb。中心Fe2+與周圍6個(gè)氧形成FeO6八面體，F(xiàn)eO6八面體和PO4四面體共同構(gòu)成了Z字形的空間骨架，Li+在骨架中占據(jù)著八面體位，通過共棱與FeO6八面體和PO4四面體相連。充放電過程中，鋰離子可以在b方向上可逆脫出插入。由于LiFePO4與FePO4空間群相同，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，脫鋰過程中體積僅減少6.81%，密度增加2.59%，使得材料本身具有很好的熱穩(wěn)定性和循環(huán)性能。傳統(tǒng)LiFePO4的缺點(diǎn)主要有兩方面，一是電子電導(dǎo)率低;二是鋰離子遷移速率低。這嚴(yán)重影響了LiFePO4容量的發(fā)揮，如果不進(jìn)行改性

9、處理，純相的LiFePO4基本不能發(fā)揮容量。目前主要通過改進(jìn)材料的制備方法及對(duì)材料進(jìn)行表面包覆等手段來制備新型的LiFePO4以改善其電化學(xué)性能。LiFePO4的制備方法主要有:高溫固相合成法，微波合成法，水熱合成，液相反應(yīng)共沉淀制備法，有機(jī)碳裂解還原制備法等。改性方法主要是對(duì)LiFePO4材料進(jìn)行表面碳包覆或金屬包覆。每種方法制備的LiFePO4從形貌到電化學(xué)性能上各有不同，但均比純相的LiFePO4有了很大的進(jìn)步。由于LiFePO4優(yōu)良的電化學(xué)性能，優(yōu)異的環(huán)境友好性，以及較低的成本，已成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注與研發(fā)的重點(diǎn)，其產(chǎn)業(yè)化開發(fā)也正在如火如荼的進(jìn)行中。1.2 Li3V2 (PO4)3 (LVP

10、)正極材料LiFePO4雖然具有很好的安全性能與倍率性能，但其并不很高的3.5V放電平臺(tái)使電池的功率密度得到限制。與LiFePO4相比，LVP的主要優(yōu)勢(shì)在于較高的電壓平臺(tái)與較高的比容量。單斜結(jié)構(gòu)的LVP在充電過程中可以逐步失去全部的鋰，理論容量達(dá)197mAh/g。單斜相LVP結(jié)構(gòu)屬于P21/n空間群，晶體結(jié)構(gòu)中稍有扭曲的VO6八面體和PO4四面體通過共用氧原子，形成(VOPO)n鍵的連接，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，鋰原子處于這個(gè)結(jié)構(gòu)的孔間隙中。傳統(tǒng)LVP的主要缺點(diǎn)在于電子導(dǎo)電率較低，目前主要嘗試采用碳包覆和金屬陽(yáng)離子摻雜等方式來提高LVP的導(dǎo)電性能。Rui等采用碳熱還原法制備新型Li3V2 (PO4)

11、 3/C(LVP/C)，通過嘗試不同的燒結(jié)溫度，不同的碳源以及不同的碳源比例來獲取最佳性能的新型LVP/C產(chǎn)品。在不同的燒結(jié)溫度下制備的LVP/C產(chǎn)品在3.04.8V，0.2C倍率下首次充放電，放電比容量處于152163mAh/g之間。其中以750合成的LVP/C首次放電比容量最高 (163mAh/g)。同時(shí)，Rui等還嘗試使用不同碳源(檸檬酸、葡萄糖、聚偏氟乙烯和淀粉)對(duì)LVP樣品進(jìn)行碳包覆以改善其電化學(xué)性能。4個(gè)樣品中，基于檸檬酸的樣品比容量最高(166.7mAh/g)，其次是基于葡萄糖的樣品(158.8mAh/g)。Rui等還采用溶膠凝膠法制備碳包覆的新型LVP/C復(fù)合正極材料，目的是使

12、反應(yīng)物在溶膠步驟達(dá)到分子級(jí)水平的混合，從而使原料混合均勻，獲得粒徑分布更加均勻，比表面積更大的產(chǎn)物。高溫固相反應(yīng)需要較高的溫度與較長(zhǎng)的燒結(jié)時(shí)間，易導(dǎo)致產(chǎn)物粒徑過大和團(tuán)聚現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)原料混合也很難達(dá)到較高均勻度，從而影響最終產(chǎn)品的電化學(xué)性能。而液相法雖然反應(yīng)溫度較低，但較長(zhǎng)的熱處理時(shí)間及額外的處理過程，例如攪拌和加熱過程等會(huì)降低產(chǎn)品的產(chǎn)率，不利于工業(yè)生產(chǎn)。針對(duì)這一問題，Wang等通過選取原料設(shè)計(jì)了一種較低溫度下(700)制備LVP/C材料的低溫固相燒結(jié)方法。得到的LVP/C材料在3.04.3V，10C倍率下首次放電比容量為99.8mAh/g，300次循環(huán)后仍有95.8mAh/g。此外，Wang

13、等還通過靜電噴霧沉積(electrostatic spay deposition，ESD)方法制備了LVP/C薄膜?？偟膩碇v，LVP由于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，氧化還原電位高，理論比容量高，良好的熱穩(wěn)定性以及優(yōu)秀的循環(huán)性能等諸多優(yōu)點(diǎn)，也已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，并將成為未來鋰離子電池正極材料的首選材料之一。1.3 5V正極材料LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO)為了抑制LiMn2O4尖晶石中Mn3+的Jahn-Teller效應(yīng)，20世紀(jì)90年代初，一些課題組開始嘗試用二價(jià)或者四價(jià)陽(yáng)離子(Fe2+，Co2+，Zn2+，Ni2+和Ge4+)摻雜取代部分的Mn，但直到1996年Amine等才首次報(bào)道了LNMO

14、電極材料，隨后Dahn等發(fā)現(xiàn)了LNMO的4.7V電壓平臺(tái)。1.4 三元正極材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3xMxO2LiNi1/3Co1/3Mn1/3xMxO2 (LNCMO)被稱為三元正極材料。最早由Liu等在1999年提出，它較好的兼?zhèn)淞薒iCoO2、LiMn2O4和LiNiO2的優(yōu)點(diǎn)，并在一定程度上彌補(bǔ)了各自的不足，具有比容量較高、循環(huán)性能穩(wěn)定、成本相對(duì)較低、安全性能較好等特點(diǎn)，得到人們廣泛關(guān)注。但同時(shí)LNCMO也有很難克服的缺點(diǎn)，例如導(dǎo)電性差、高電壓下(4.4V vs Li以上)會(huì)造成電解液分解等，嚴(yán)重影響了其倍率性能及循環(huán)性能。過渡金屬摻雜成為提高LNCMO電化學(xué)性能的一種重要

15、的方法。2鋰離子電池負(fù)極材料【1】理想的鋰離子電池負(fù)極材料應(yīng)具有電位低、比容量高、密度大(包括振實(shí)密度、壓實(shí)密度)、安全性好、低溫性能好、倍率性能佳、長(zhǎng)壽命和能量效率高(排除轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)理過渡金屬氧化物，如CoO，CuO等)等優(yōu)良品質(zhì)。負(fù)極材料中石墨是應(yīng)用最廣泛的電極材料，它的特點(diǎn)是電位低(00.2V vs Li);Li4Ti5O12主要優(yōu)點(diǎn)是循環(huán)性能好，安全性高，但作為負(fù)極材料，較高的電位(1.5V vs Li)降低了它的能量密度;Si材料的特點(diǎn)在于比容量高(4200mAh/g)，但較差的循環(huán)性影響了其使用。2.1 VOx化合物氧化物是當(dāng)前人們研究的另一種負(fù)極材料體系，包括金屬氧化物、金屬基復(fù)

16、合氧化物和其它氧化物?，F(xiàn)在研究熱點(diǎn)主要集中在錫、銻氧化物上，也有關(guān)于錳、鐵、鎢等其他氧化物負(fù)極的研究Ding等通過將水熱方法制備的片狀VO2·0.43H2O(VO(F)用作鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能與倍率性能。由于鋰離子電池是一個(gè)能量存儲(chǔ)裝置，所以能量效率(放電容量/充電容量)是一重要參數(shù)。通過對(duì)VO(F)充放電曲線的面積進(jìn)行積分，可以發(fā)現(xiàn)其能量效率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他轉(zhuǎn)化反應(yīng)型金屬氧化物電極材料。2.2 Li4Ti5O12尖晶石型Li4Ti5O12負(fù)極材料最早是由Deschanvers等于1971年報(bào)道。Li4Ti5O12材料在鋰離子插入脫出過程中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有優(yōu)良的

17、循環(huán)性能，同時(shí)它的1.55V(vs Li)電壓平臺(tái)十分平整，作為負(fù)極材料時(shí)不會(huì)與電解液發(fā)生反應(yīng)，保證了電池的安全性能。此外它還具有以下優(yōu)點(diǎn):理論比容量為175mAh/g，價(jià)格便宜，容易制備等。雖然Li4Ti5O12優(yōu)點(diǎn)很多，但它過低的電子電導(dǎo)率影響了其在大倍率電池方面的應(yīng)用。通常的改進(jìn)方法有合成納米尺度的Li4Ti5O12，金屬離子摻雜，還原氣氛熱處理，進(jìn)行Ag或C包覆等，以提高其電子電導(dǎo)率。在此基礎(chǔ)上，Wang等嘗試了對(duì)Li4Ti5O12進(jìn)行Cu摻雜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻雜Cu之后，形成了Li4Ti5O12，Li4Ti5CuxO12+x兩種尖晶石相的混合體，與單純的Li4Ti5O12相比，倍率性

18、能有了很大的進(jìn)步，放電容量有所提高。Cheng等還采用TiO2作為原料，制備不同形貌納米尺度的碳包覆Li4Ti5O12(納米棒、中空球、納米微粒等)。采用化學(xué)氣相沉積方法對(duì)TiO2進(jìn)行碳包覆，隨后與鋰鹽混合進(jìn)行高溫處理制備Li4Ti5O12，碳包覆可以有效地抑制產(chǎn)物粒子的長(zhǎng)大，同時(shí)可以提高粒子的電子導(dǎo)電率，從而獲得優(yōu)異的電化學(xué)性能。2.3 C/Si復(fù)合材料雖然硅可以和鋰形成Li22Si5合金，理論容量高達(dá)4200mAh/g，但是由于硅在嵌入鋰后會(huì)發(fā)生巨大的體積膨脹，因此單質(zhì)硅作為負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性一直得不到解決。在過去的幾年中，基于單質(zhì)硅的具有特殊結(jié)構(gòu)的納米材料以及碳硅復(fù)合材料被證明可以有效地改

19、善硅負(fù)極的循環(huán)性能，因此，制備具有一定孔隙率的碳硅復(fù)合材料，可以有效地緩解循環(huán)過程中電極的體積膨脹，防止活性物質(zhì)從電極上脫落。Wang等利用靜電噴霧過程中溶劑的殘?zhí)恐苽淞颂脊鑿?fù)合的薄膜電極。相比于利用噴霧熱解等方法制備的碳包覆硅材料，溶劑殘?zhí)苛康停稚⒏鼮榫鶆?，有利于提高電池的體積能量密度，而這一發(fā)現(xiàn)也為制備新型的碳復(fù)合材料開辟了新途徑。X射線能譜分析顯示，所得的復(fù)合纖維中碳硅質(zhì)量比為7723。從電化學(xué)性能上看，C/Si納米復(fù)合纖維具有較高的比容量(>1000mAh/g)，但其能量效率不高，這是由于極化嚴(yán)重造成的。2.4 -Fe2O3薄膜過渡金屬氧化物MOx(M=Fe，Co，Ni)在近年

20、來日益受到關(guān)注，這些氧化物的理論容量通常超過1000mAh/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常見的碳負(fù)極材料。然而過渡金屬氧化物的儲(chǔ)鋰機(jī)制不同于層狀石墨的插入-脫出機(jī)制，而是依據(jù)所謂的轉(zhuǎn)化反應(yīng):MOx+2xLiM+xLi2O。這就意味著在放電過程中會(huì)產(chǎn)生大量低密度的氧化鋰，造成電極體積的急劇膨脹，導(dǎo)致活性物質(zhì)從集流體上脫落，致使電池容量迅速衰減。因此Wang等通過ESD方法制備了多孔的-Fe2O3薄膜負(fù)極材料，可以有效地緩解鋰離子進(jìn)入脫出電極時(shí)引起的體積變化。2.5 Fe3O4Fe3O4作為過渡金屬氧化物中的一員，同樣能應(yīng)用為鋰離子電池負(fù)極材料。Fe3O4的理論容量為924mAh/g。作為電極材料，F(xiàn)e3O4具有

21、如下優(yōu)點(diǎn):高的理論容量、鐵資源豐富和安全無毒，相對(duì)于其他過渡金屬氧化物而言，具有較好的電子電導(dǎo)，引起人們的廣泛關(guān)注。Fe3O4電極電池的首次放電在0.7V左右出現(xiàn)一個(gè)長(zhǎng)平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)貢獻(xiàn)了70%以上的容量，首次放電容量達(dá)到1332mAh/g。從第二次循環(huán)開始，電池的放電平臺(tái)變?yōu)?.5至0.75V的緩斜坡，充電曲線并未改變。60次循環(huán)后，充放電電壓曲線并未發(fā)生大的改變，且充放電容量未見衰減，表明這種材料具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性。Fe3O4電極電池在小電流(0.2mA)時(shí)，可以放出1030mAh/g的容量;當(dāng)電流增加到10mA(7C倍率)時(shí)，仍然可以放出410mAh/g的容量;當(dāng)電流降低到0.2mA時(shí)

22、，電池的充放電容量能夠恢復(fù)到1000mAh/g以上，表現(xiàn)了良好的倍率特性。2.6 Li3V2(PO4)3負(fù)極材料Li3V2(PO4)3，LiFePO4與LiVOPO4均可以作為鋰離子電池負(fù)極材料。Rui等發(fā)現(xiàn)，Li3V2(PO4)3作為負(fù)極，在03V時(shí)，首次容量損失可達(dá)38%，能量效率>90%，可逆循環(huán)容量約200mAh/g;若在13V循環(huán)時(shí)首次容量損失僅為20%，能量效率接近100%，可逆循環(huán)容量約100mAh/g，每循環(huán)容量衰減率僅為0.13%。3電解質(zhì)材料【2】電解質(zhì)作為電池的重要組成部分，在正負(fù)極之間起著輸送離子傳導(dǎo)電流的作用，選擇合適的電解質(zhì)也是獲得高能量密度和功率密度、長(zhǎng)循環(huán)

23、壽命和安全性能良好的鋰離子二次電池的關(guān)鍵。鋰離子電池電解質(zhì)按其存在狀態(tài)可分為：液體電解質(zhì)、固體電解質(zhì)和熔融鹽電解質(zhì)。按其組成還可以分為：有機(jī)電解質(zhì)、聚合物電解質(zhì)和無機(jī)固體電解質(zhì)。對(duì)電解質(zhì)的要求：離子導(dǎo)電率電解質(zhì)必須具有良好的離子導(dǎo)電性而不能具有電子導(dǎo)電性，一般溫度范圍內(nèi)，電導(dǎo)率要達(dá)10-32×10-3S·cm-1數(shù)量級(jí)之間。鋰離子遷移數(shù)陽(yáng)離子是運(yùn)載電荷的重要工具，高的離子遷移數(shù)能減小電池在充放電過程中電極反應(yīng)時(shí)的濃度極化，使電池產(chǎn)生高能量密度和功率密度，較理想的離子遷移數(shù)應(yīng)該接近1。穩(wěn)定性電解質(zhì)一般存在于兩個(gè)電極之間，當(dāng)電解質(zhì)與電極接觸時(shí)，不希望副反應(yīng)發(fā)生，這就需要電解質(zhì)有

24、一定的電化學(xué)穩(wěn)定性，為得到一個(gè)合適的操作溫度范圍，電解質(zhì)必須具有好的熱穩(wěn)定性。機(jī)械強(qiáng)度好的電解質(zhì)要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度滿足常規(guī)的大規(guī)模生產(chǎn)包裝要求。在液態(tài)軟包裝電池中電解質(zhì)鹽對(duì)正極集流體的作用相當(dāng)強(qiáng)烈，不同陰離子對(duì)集流體的影響不同，以及活性物質(zhì)中的過渡元素對(duì)電解液的分解的催化作用，使電池的充電電壓受到了一定的限制。鋰離子電池一般使用的溶劑有PC，EC，EMC，DMC等有機(jī)易燃物。4隔膜【2】隔膜的作用主要是：隔離正、負(fù)極并使電池內(nèi)的電子不能自由穿過；能夠讓離子(電解質(zhì)液中)在正負(fù)極之間自由通過。隔膜的性能與空隙率、孔徑大小及分布、透氣率、熱性能和力學(xué)性能等有關(guān)。由于聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)微

25、孔膜具有較高的空隙率，較低的電阻，較高的抗撕裂強(qiáng)度，較好的耐酸堿能力，良好的彈性及對(duì)非質(zhì)子溶劑的保持性能，故鋰離子電池研究開發(fā)初期便采用它作為隔膜材料。其方法幾乎全部采用Celgard法生產(chǎn)。近年來由于膠體聚合物電解質(zhì)的出現(xiàn)，使其既可以用于鋰離子電池的電解質(zhì)，同時(shí)又可以起到隔膜的作用，不過其工藝還不完全成熟。近期又有許多關(guān)于聚合物電解質(zhì)與聚乙烯、聚丙烯一起組合成聚合物鋰離子電池隔膜的報(bào)道，膠體聚合物覆蓋在或填充在微孔膜中。在制備此種隔膜的過程中，高分子聚合物、易揮發(fā)性溶劑和不易揮發(fā)溶劑之間的沸點(diǎn)差，應(yīng)有30-40。由于造孔劑在隔膜漿料中一般以非溶劑的身份存在，降低了漿料的粘度。因此要在隔膜液中

26、添加增粘劑，如第二聚合物組分，超細(xì)分散硅膠等。鋰離子電池在車用電池方面的應(yīng)用理想的車用鋰離子電池材料應(yīng)具備以下特征【4】: (1)具有層狀或隧道的晶體結(jié)構(gòu),以利于鋰離子的嵌入和脫出,以保證鋰離子電池的循環(huán)壽命;(2)充放電過程中,應(yīng)有盡可能多的鋰離子嵌入和脫出,使電極具有較高的電化學(xué)容量; (3)在鋰離子進(jìn)行嵌脫時(shí),電池有較平穩(wěn)的充放電電壓; (4)鋰離子應(yīng)有較大的擴(kuò)散系數(shù),以減少極化造成的能量損耗,保證電池有較好的快充放電性能; (5)材料應(yīng)價(jià)格便宜,對(duì)環(huán)境無污染,質(zhì)量輕,可回收。車用鋰離子電池系統(tǒng)一般由電芯及電池組、電池管理系統(tǒng)(BMS)、高壓電安全系統(tǒng)(直流接觸器、熔斷器、預(yù)充電電阻)、

27、冷卻系統(tǒng)和檢測(cè)單元(電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器)等組成。目前， 中國(guó)鋰離子電池生產(chǎn)量已位居世界第三，但在產(chǎn)品檔次、技術(shù)水平方面與日本、美國(guó)仍存在一定差距，我國(guó)車用鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化尚未真正破題。同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心車載電源研究室主任魏學(xué)哲博士指出，制約國(guó)內(nèi)鋰離子電池規(guī)模化發(fā)展的發(fā)展瓶頸有三【5】。第一個(gè)瓶頸是鋰電池的成本。目前鋰離子電池組的制造成本約9001000美元/kWh，與PHEV-40指標(biāo)和EV商用化要求的300美元/kWh、150美元/kWh相比，鋰離子電池制造成本需大幅下降2/34/5。第二個(gè)瓶頸是循環(huán)壽命和擱置壽命，循環(huán)壽命的降低主要來自電池成組過程中的一致性問題。

28、循環(huán)壽命低將增加電池更換需求，這會(huì)大大增加電動(dòng)車使用成本。而擱置壽命是指電池在靜態(tài)放置狀態(tài)下壽命的衰減。在汽車應(yīng)用中，電池大部分時(shí)間處于擱置狀態(tài)，從實(shí)際應(yīng)用來看，車輛在夏天的高溫暴曬狀態(tài)下，電池的衰減非常明顯。第三個(gè)瓶頸是鋰離子電池的安全性。目前電池設(shè)計(jì)和管理系統(tǒng)已基本能消除單體以至模塊條件下過電壓、短路、擠壓等情況下的安全隱患，但整包級(jí)別的安全性仍沒有完全解決。其中決定鋰離子動(dòng)力電池成本和性能的關(guān)鍵在于材料，鋰離子動(dòng)力電池的材料決定了電動(dòng)汽車的發(fā)展路線和運(yùn)行模式。因此，突破鋰離子動(dòng)力電池的瓶頸問題，關(guān)鍵在于材料問題的解決。目前,因?yàn)榱姿徼F鋰由于具有循環(huán)壽命和材料成本方面的潛在優(yōu)勢(shì)而被業(yè)界普遍看好，代表著動(dòng)力電池正極材料的未來發(fā)展方向。隔膜也是鋰離子電池中的關(guān)鍵材料之一，是鋰離子二次電池的重要組成部分，在電池中起著防止正/負(fù)極短路同時(shí)再充放電過程中提供離子運(yùn)輸電通道的作用，其性能決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，直接影響電池的容量、循環(huán)性能以及安全性能等特性。在鋰離子電池隔膜中聚烯烴材料的隔膜具有優(yōu)異的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性且相對(duì)廉價(jià)，其中聚烯烴微孔膜有著特殊的結(jié)構(gòu)與性能，能夠滿足鋰離子電池對(duì)隔膜的高要求，因此聚烯烴微孔膜在液態(tài)鋰離子電池隔膜市場(chǎng)中占據(jù)了絕對(duì)的主導(dǎo)地位，但是此類隔膜技術(shù)之前一直被國(guó)外壟斷。鋰離子電池是未來車用動(dòng)力電池的首選技術(shù)。但鋰