锂离子电池现状和未来（锂离子电池和锂聚合物电池哪个好）

原子量越少是越轻吗 我们会耗尽锂吗？锂离子电池的未来

1973年，英国化学家惠廷厄姆（Whittingham）使用具有层状结构的二硫化钛作为阴极，锂金属作为阳极组装成电池，现代锂离子电池的发展由此开始。

然后，吉野昭昭在阳极上涂了一层石墨，使现代锂离子电池走上了广泛商业化的道路。

2019年诺贝尔化学奖颁给了惠廷厄姆、古德诺和吉野昭昭，他们发明了层状尖晶石状阳极和阴极材料，为锂离子电池的成功做出了贡献。

锂离子电池的结构类似于汉堡

阳极使用碳材料，如石油焦，阴极使用层状材料，如金属盐，锂离子电解质和隔膜的中间体，是锂离子电池的主要形式，结构类似于汉堡

阳极和阴极就像两片面包，中间的鸡肉充当传导锂离子的电解质和阻挡电子的膜。

锂离子电池中储存的能量主要取决于阴极和阳极材料可储存的锂离子量。

锂离子需要嵌入层状材料中进行储存，这将在电池中占据大量的质量和体积，导致电池的能量密度低。

想象一座建筑，其中钢筋混凝土骨架就像阴极/阳极极中的分层支撑材料。尽管钢筋混凝土占据了建筑的大部分空间和重量，但真正为公司做出贡献的是工人。

在这里工作的人都是锂离子。，每个工人占用的空间越大，可以容纳的人就越少，如果每个工人的生产力都一样，公司的整体盈利能力就越低。

锂离子电池正极材料安全、成本和容量之间的矛盾

锂离子电池是有用的，但其有限的容量和缓慢的充电速度无法满足当今电子信息时代对电池容量和功率的日益增长的需求。

目前主流锂离子电池的能量密度约为300Wh/kg。也就是说，3.3千克锂离子电池可以携带1度电。相比之下，汽油的能量密度约为13000 Wh/kg，是锂离子电池的40多倍。

即使考虑到汽车内燃机不到40%的热效率，电动汽车的续航能力与燃油车相比仍有很大差距。

近年来，降低成本、提高安全性和提高产能是阴极材料商业化发展的主要目标。

如前所述，阴极材料可以被认为是含有锂离子的建筑，它只能储存能量，而层状框架材料只能提供支撑。

，理论上，从降低成本的角度来看，一方面，昂贵的分层框架可以用低成本的材料代替，就像纯大理石房屋用混凝土代替一样；另一方面，考虑每单位体积的材料包装更多的锂离子，比如把一个单独的办公室变成一个隔间。

现有阴极原料三元

在现有的阴极材料中，钴的价格更高，容量更低，逐渐开发出成本更低、容量更大的由锰和镍氧化物制成的阴极材料。

例如，目前已经广泛使用的三元正极材料（NCM）是一种由镍、钴和锰氧化物组成的锂盐（LINI1-X-YCoxMnyo2），它实现了在低成本框架中填充更多锂离子的效果。

，三元锂电池近年来一直面临安全问题。原因是镍在电池充电过程中容易产生价态变化，从而导致氧原子沉淀。强氧化性氧原子与有机电解质发生剧烈反应，导致电池燃烧/爆炸。

现有阴极原料磷酸铁锂

如果说安全是首要出发点，那么现在最成熟可靠的正极材料就是磷酸铁锂。磷酸铁锂将原建筑的大平面结构改为特殊的橄榄石结构。

橄榄石结构可以类似于在大的平坦层上添加额外的结构支撑，以将锂离子存储在单独的“细胞”中。由于每个房间周围都有足够的支撑，电池在使用中不易发生地板塌陷，这大大提高了电池的安全性。

，麻烦的是，由于锂离子“躺平”在过于“舒适”的生活环境中，锂离子嵌入释放过程阻力高，电池电量低。

特别是在低温环境下，锂的进出速度极为缓慢，电池容量甚至可能衰减到50%以下，在寒冷地区使用极为不友好。，单室结构进一步降低了锂离子电池的能量密度。

磷酸铁框架（FePO4）的分子量为150.8 g/mol，锂离子仅为7 g/mol。换言之，磷酸铁锂的重量只有4%是能够提供电池容量的锂离子，并且大部分重量被支撑的磷酸铁占据。

如上所述，如果不放弃“将锂离子嵌入夹层/晶格”的想法，就很难真正提高阴极材料的容量。

锂离子电池未来可用的阴极原料硫

近年来，基于锂化学反应的正极材料逐渐被提出，典型代表是硫（S）。与锂不同，硫可以与锂形成化合物Li2S，这意味着每个原子量为32的硫原子可以与两个锂离子键合

与现有锂金属相比，硫的容量可提高10倍，被认为是一种有前途的下一代正极材料。

目前，世界各地已经出现了相关的小规模商业产品，相信它们将在不久的将来逐步取代层状锂材料进入消费领域。

锂离子电池阳极材料

接下来是阳极材料，这是锂离子电池安全的关键。任何使用过NimH电池的人都应该熟悉“记忆效应”这一术语。

记忆效应是，如果一个电池没有完全充电和放电，它只能在下一次充电和放电中使用上一个循环的部分，就好像记得以前的经历一样。

，在使用锂离子电池的早期，许多用户习惯性地将电池充电至0%，然后在达到100%时拔下。不幸的是，这样的操作会缩短锂离子电池的寿命，并使其更有可能导致电池故障或安全问题。为什么？

阳极材料决定锂离子电池的充电 和容量

目前，用于锂离子电池的阳极材料主要基于石墨和其他层状碳材料。其原理类似于阴极材料，即在石墨层之间嵌入锂离子以进行储存。

锂离子放电时离开石墨层，充电时返回石墨层。，石墨不同于正极材料的锂盐，其层间结合能力相对较弱，在充放电过程中容易剥离层。

幸运的是，石墨将在电池寿命早期的几个循环中，在附着于电解质的一侧形成一层称为固体电解质层（SEI层）的保护膜。

这种保护膜只有纳米级厚度，但韧性强，成分复杂。它主要由有机电解质与石墨表面的锂离子发生化学反应而产生。该SEI层可以锁定石墨并防止层剥离现象。

在锂离子电池的实际使用中，如果过度放电，即石墨层中的锂离子已经耗尽，并且它继续从石墨层中需要锂离子，那么SEI层中的li离子必须离开电极，导致SEI层的破坏。

同样，如果锂离子电池被过度充电，石墨层之间的位置已经被完全占据，新的锂离子不能被嵌入，只能沉积在石墨表面形成锂金属，这会产生锂枝晶并穿透SEI层，导致SEI层被破坏。

，从电池安全和健康的角度来看，建议用户在充电时使用带有锂离子电池的设备，不必等到电池耗尽或充满电池。

就容量而言，它类似于阴极的层状材料。由于锂离子也基于嵌入释放原理储存在石墨等碳材料中，大量的质量和空间被不提供容量的石墨占据，开发新的阴极材料势在必行。

未来可用于锂离子电池的阳极材料石墨烯

有大量下一代阳极材料正在开发中石墨烯是最常被提及的下一代负极材料之一。石墨烯是单层石墨。

与锂离子需要嵌入石墨中的两个石墨层之间相比，石墨烯可以以单层结构直接嵌入锂离子，容量直接翻倍。，硅、锡等材料可以与锂离子反应形成Li4Si、Li4Sn等材料，这些材料具有更大的容量潜力，目前是阳极的重要研究重点。

锂离子电池未来可用的阳极材料锂金属

科学家们更关心的是锂阳极，它曾经被认为是一个安全问题。

锂在锂金属阳极中的储存不再依赖于锂离子在层状材料中的插入和释放，而是直接将锂离子还原为用于储存的元素材料，阳极的100%重量和体积可以提供容量，是最有效的阳极材料。

事实上，最早的锂离子电池直接使用锂金属作为阳极，但在循环过程中会发生不均匀的沉积，形成锂金属的“尖端”，尖端周围形成更强的电场，促进后续锂离子在尖端的加速沉积。

，大量尖锐和分形的锂枝晶将继续形成，并最终刺穿电池隔膜，导致电池内部短路、电池故障甚至安全事故。锂金属阳极的成功很大程度上取决于固体电解质的开发。

固体电解质锂阳极复兴的关键

还记得我们前面提到的锂离子电池的汉堡模型吗？调味的关键在于加入的酱汁。酱汁将面包和肉的味道有机地融合在一起，实现了汉堡味道和味道的双重升华。

如果酱汁溢出系统，可能会造成吃汉堡时更大的安全隐患——弄脏衣服。锂离子电池也是如此。

液体电解质是锂离子电池的标准

几乎所有市售的锂离子电池都使用由液体有机溶剂（酱汁）和溶解的可溶性锂盐（肉）组成的液体电解质（凝胶电解质）。

使用液体电解质的原因是锂离子需要在阴极和阳极之间迁移以储存/释放能量，而锂是反应性的，需要液体有机溶剂才能安全操作和高效运输。

，易燃的有机电解质本身给锂离子电池带来巨大的安全风险，特别是当锂金属用作阳极时，锂枝晶的生长容易导致电池内部短路，导致热失控将导致有机电解质的挥发和燃烧。

，开发能够传导锂离子的固体电解质不仅避免了电池中使用可燃材料，还有效抑制了由于固体电解质而导致的锂枝晶的生长。

但这很难做到，甚至比让人们接受没有酱汁的汉堡还要难。

固体电解质更难应用

主要困难是锂离子在固体中的迁移率难以满足需求。鱼可以在水中快乐地游泳，但在冰中很难移动，最终会变成死鱼。

锂离子也是如此。锂离子在液体电解质中迁移很快，但在固体中很难迁移。锂离子的迁移困难意味着电阻增加和电池电量降低想象一下，充电两小时就能通话五分钟？

另一个困难是，即使使用固体电解质，由于固体电解质本身是刚性材料，锂枝晶的生长仍会刺穿固体电解质，导致电解质开裂和电池损坏。

为了解决这个问题，科学家们采取了相反的 ，提出了使用软层的想法。“如果固体电解质太硬，就把它变成软层。”哈佛大学李欣及其团队最近在《自然》杂志上发表的一篇论文给固体电解质注入了强心剂。

为了抑制锂枝晶的生长，他们设计了一种具有五层豪华汉堡结构的固体电解质石墨LPSCI LGPS LPSCI石墨。这确保了在10000次循环后，锂离子电池仍具有其初始容量的82%。

这种自修复策略非常灵活，与提高固体电解质模量和防止锂枝晶击穿的策略相比，可能会加速固体电解质的研发。

下一代锂离子电池和材料

（1） 寻找锂离子电池的新电极材料

，它必须是可扩展的，它的能量密度也必须考虑在内。

当从大型数据库中筛选和预测电极时，有必要考虑它们是否能够在电池循环期间保持结构稳定性以及合成的可能性。

（2） 根据不同的应用领域和场景，选择不同类型的锂离子电池

例如，钛酸锂（LTO）电池可以应用于快速充电领域，并且具有优异的安全性和高低温性能。

可以输出不同电压的电池可能更适合微电子应用（例如计算机芯片），不需要DC-DC转换，并且更容易与能量采集电子设备集成；医用电池的成本可能不是最重要的，但安全是最重要的。

（3） 替代传统的液体电解质，如离子液体、高盐浓度电解质和固体电解质

例如，锂金属作为阳极受到广泛关注，但锂枝晶的形成一直是一个安全隐患，鼓励开发基于固体电解质的全固态电池。

（4） 开发阴离子REDOX反应，如锂空电池、锂硫电池等

例如，在锂硫电池中，硫离子S2-被可逆地氧化为多硫化物和元素硫。

，当阴离子是氧离子时，情况明显不同，这可以与阳离子REDOX反应发生，如通常所说的富锂材料，这往往会导致氧损失和结构不稳定，电压衰减更严重，如何抑制氧损失，避免结构变化是未来的努力。

（5） 开发除锂以外的其他碱金属系统的电池

例如，钠、镁、钙、铝、钠离子电池系统与锂离子电池系统最接近，但仍存在显著差异。

由于Na的尺寸半径更大，它具有不同的配位环境和晶格（例如，石墨不能含有Na+），钠盐在SEI中的溶解度更高。这也意味着需要不同的电解质添加剂。

（6） REDOX液流电池的开发

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