绪 论
当前世界电池工业的发展有以下3个显著特点：一是绿环保电池的迅猛发展，包括锂离子电池、氢镍电池、无汞碱锰电池等，这是人类社会发展的需求；二是一次电池向二次电池转化，在一次锂电池的基础上，研究、开发了可充锂离子电池，在碱性锌锰电池的基础上，研究、开发了可充碱锰电池，扣式电池也向可充性发展，这有利于节约地球有限的资源，符合可持续发展的战略；三是电池进一步向小型化、大型化方向发展。
锂离子电池自1990年开发成功以来，由于它具有比能量高、工作电压高、应用温度范围宽、自放电率低、循环寿命长、无污染、安全性能好等独特的优势，特别是聚合物锂离子电池，可以实现可充电池的薄形化。现已广泛用作袖珍贵重家用电器如移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等的电源，并已在航空、航天、航海、人造卫星、小型医疗仪器及军用通讯设备领域中逐步替代传统的电池。
锂离子电池的应用前景十分广阔，据统计，中国的移动电话用户为全球第一，中国已成为全世界移动电话用户规模最大的国家，并且今后几年的用户还将继续扩大，这表明锂离子电池还有很大的潜在市场。随着高新技术的发展和人民生活水平的提高，锂离子电池制造技术的
进步和电池成本的下降，又将大大加快现代移动通讯和家用电器的发展速度，并促进国防军工、电信技术的发展。可以预言，锂离子电池将成为21世纪人造卫星、宇宙飞船、潜艇、、军用导弹、飞机等现代高科技领域的重要化学电源之一。
受石油危机、空气污染的影响，电动汽车的研制开发甚至产业化成为全世界普遍关注的问题。据预测未来10～20年将是HEV、EV高速发展阶段。交通违章滞纳金大容量、高功率的动力型锂离子电池将成为环保型电动汽车的理想电源。在美国、日本、法国等汽车制造大国，政府所实施的专项计划都在大力推动锂离子动力电池的发展。我国政府在“小排量suv十五”“863”计划中设立了电动汽车重大专项，锂离子动力电池是该专项的重点研究内容，通过该专项的实施，我国锂离子动力电池技术得到了极大的提高。从目前的技术现状看，以LiMn2O4为正极，改性石墨为负极的高功率型锂离子动力电池成本较低，此类电池已被应用于日本三菱、日产等公司研制的混合动力汽车中，并正在实施产业化；磷酸铁锂动力电池是目前最集中的热点，高温性能和大倍率性能已经突破，研究导热系数低的碳材料是解决磷酸铁锂电池安全性的关键；电解质研究方面顺应高压正极材料的发展需求，高压电解液将是热点研究内容之一，而耐高温电解液是另一个主要的发展方向。微孔型纯凝胶电解质和纯固态聚合物电解质的电池规模制备工艺受到质疑，目前还看不到产业化的大前景。新型粘结剂的研发，
将大大推进新型正、负极材料的研究。为进一步降低成本，提高安全性，世界各国还在加大新材料和新技术开发的力度，致力于进一步提高锂离子动力电池的性能，推动其在电动汽车上的商业化应用。锂离子电池的良好经济效益、社会效益和战略意义（包括航天、军事等领域的应用）也迫使我国不得不考虑锂离子电池的发展。
锂离子电池作为新兴的能源正处于蓬勃发展时期，进一步研究和开发锂离子电池对发展与能源密切相关的各项产业具有非常重要的意义 。开发适用于电动车用的低成本、安全性更好的动力电池材料正当其时，将具有极大的市场前景和技术经济效益。
综合以上背景，本文介绍了我国锂离子电池的发展现状；从锂离子电池的材料、制造工艺和使用条件等方面讨论影响锂离子二次电池安全性的各种因素；分析了动力电池在使用过程中存在一致性和容量衰减的原因。改进正负极材料和电解质，是进一步改善锂离子电池安全性能的关键；优化制备和平衡电池组技术是亟待解决的动力电池的关键技术。

第1章 我国锂离子电池的现状
1.1 锂离子电池的特点
目前锂离子电池具有以下优点：
（1）单体电池工作电压高
工作电压3.7V，是镍镉电池、镍氢电池的3倍，铅酸电池的近2倍，因此组成相同电压的动力电池组时，锂电池使用的串联数目会大大少于铅酸电池和镍氢电池。如果动力电池中单体电池数量越多，电池组中单体电池的一致性要求就越高，寿命就越不好做，在实际使用过程中电池组出现问题分析后，一般是其中一、两个单体电池出问题，然后导致整组电池出现问题，从这个角度上讲锂电更适合动力电池的使用。
（2）重量轻，质量比能量大
高达150Wh/Kg，是镍氢电池的2倍，铅酸电池的4倍。从这个角度讲锂电消耗的资源就少，而且由于锰酸锂、磷酸铁锂电池中所用元素的储量比较多，相对铅酸、镍氢电池可能会进一步涨价，锂电池成本反而是进一步降低的。因此锂电动自行车用锂离子电池重量仅
为2.2-4公斤，整车总重量至少减轻了20％。由于电池和整车轻，相同电压相同容量的电池行驶里程更长。
（3）体积比能量大
高达到400Wh/L，相同容量的体积是铅酸电池的二分之一到三分之一。提供了更合理的结构和更美观的外形的设计条件、设计空间和可能性。锂离子电池的使用，给设计师们提供了展示设计思想和设计风格的更大空间及条件。
（4） 循环寿命长
循环次数可达1000次。以容量保持60%计，电池组100%充放电循环次数可以达到600次以上，使用年限可达3-5年，寿命约为铅酸电池的两到三倍。随着技术的革新，电池的寿命会越来越长，性价比会越来越高。
（5）自放电率低，每月不到5%。
（6）允许工作温度范围宽，低温性能好
锂离子电池可在－20℃～+55℃之间工作，尤其适合低温使用，而水溶液电池在低温时，由于电解液流动性变差会导致性能大大降低。
（7）无记忆效应
可以随时进行充电；电池充放电深度，对电池的寿命影响不大，可以全充全放。
（8）能实现智能管理，高精度监测锂离子动力电池组每一个单体电池
法拉利的标志保护板能对每一个单体电池进行高精度监测，低功耗，具有完善的过充电、过放电、温度、过流、短路保护、锁定自恢复功能以及可靠的均衡充电功能，大大的延长了电池的使用寿命。
（9）无污染
大众汽车公司虽然锂电池没有污染，但从资源节约的角度考虑，锂电池的回收，回收中的安全性，回收的成本也都需要考虑。
当然，锂离子电池也有一些不足之处：
（1）锂离子电池存在安全隐患
主要由电极和电解液间的化学反应引起，电解液的主要成分为碳酸酯，闪点很低、沸点也较低，在一定条件下会燃烧甚至爆炸。处于充电态的电池正极材料为强氧化性化合物，同时处于充电态的负极材料为强还原性化合物，如电池出现过热，会导致电解液中的碳酸酯被氧化和还原，产生大量气体和更多的热，如缺少安全阀或者气体来不及通过安全阀释放，电池内压便会急剧上升而引起爆炸，此时高温下的电极和电解液与空气接触，处于充电态的负极的活泼性接近金属锂，与氧接触会立即燃烧并引燃电解液、隔膜而起火。而动力电池的容量是手机电池容量的上百倍以上，因此对锂电的安全性要求极高。
（2）价格高
相同电压和相同容量的锂离子电池价格是铅酸的3-4倍，随着锂离子动力电池市场的扩大、成本的降低、性能的提高以及铅酸电池价格的提高，两、三年之后锂离子动力电池的性价比是可能超过铅酸电池。
（3）必须有特殊的保护电路，以防止过充电
同其优点相比，这些缺点不应成为主要问题，特别是用于一些高科技、高附加值的产品中。因其具有以上优良的性能而具有广泛的应用价值，将成为动力电池的首选。世界上许多大公司竞先加入到该产品的研究、开发行列中。如索尼、三洋、东芝、三菱、富士通、日产、TDK、佳能、永备、贝尔、富士、松下、日本电报电话、三星等。目前常用的领域为电子产品，如手机、笔记本电脑、微型摄像机等。对其他一些重要的领域，如电动交通工具、航空航天、军事等领域也正在进行渗透。捷达nf
1.2 锂离子动力电池研究概况
在锂离子动力电池的电池材料方面，正极材料正在从单一钴酸锂向锰酸锂、磷酸亚铁锂、多元复合的锂金属氧化物方向发展。和钴酸锂相比，锰酸锂、磷酸亚铁锂突出的优点是其低成本和安全性能，虽然容量稍低，但对于体积较大的动力电池不构成明显的弱点，目前国内外均在进行相关的研究工作，并在应用上取得了较大进展，已有多家单位报道了研制出适合高功率和高能量锂离子动力电池用的材料，用于HEV试验，显示出较好的性能。新材料的合成技术也有利于进一步降低生产成本和提高产能，微波合成技术正在走向产业化，它利用微波快速加热和促进离子运动，加速化学反应的特点，使材料合成的时间由5～
10h降低到1h以内，不仅提高生产率，节省能源，而且减少锂的挥发，使制成品更均匀，产物的晶粒大小更易于控制。
在负极材料方面，正在由单一的石墨材料向非碳－碳复合材料、合金负极、纳米材料等多元化方向发展，其中在合金－碳、非碳－碳复合材料方面的研究近期有较大突破，2006年6月1 8－2 3日在法国Biarritz召开的国际锂电池会议（IMLB2006）上，日本SONY能源设备公司报道了新型负极材料容量较传统碳材料提高30%，是由弥散的Sn-Co颗粒分散于碳载体中形成的复合结构，SONY声称已经商品化并达到了300次循环容量保持率大于60%的水平。据报道还有一种含纳米孔的高容量硬碳微球负极材料值得注意，它是由5～10μm的碳球所组成，球内是但石墨层组成的孔径在0.5～3nm的纳米孔管，综合了碳纳米管的高储锂能力和球形碳材料的优良的加工性能，比容量较MCMB提高30%，达到400mAh/g，尤其适用于锂离子动力电池的大电流工作的需要，可望在动力电池负极材料上取得应用，其制备成本远远低于碳纳米管，应用上也比碳纳米管具有更大的优势。在锂离子动力电池用负极材料方面，深圳贝特瑞公司也开发出了一种具有较好性价比的Ti－碳－石墨复合材料，具有优良的循环性能（1000次循环>80%）。在非碳负极方面，Si、Sn等都具有比碳材料高得多的比容量，Al、Ag等也有较高的储锂能力，为减缓合金材料的体积效应造成的
美国军车电极粉化，将活性材料减小颗粒尺寸分散于合适的弹性体中是解决问题的有效途径。研究发现，小颗粒的氧化亚锡具有较好的循环性能，将纳米Si分散于碳材料中也可以改善循环性能。纳米负极材料的优点是可以承受较大的体积变化，但是在循环过程中易于发生电化学团聚，削弱了纳米材料的优势。目前人们已经成功地表面钉扎纳米金属或合金，材料的容量超过500mAh/g，具有良好的循环性，进一步改性后有望应用于实际电池。