锂离子电池发展的前瞻

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    第38卷第4期 2008年 8月

    电

    BATTERY

    池

    BIMONTHLY

    V01.38,No.4 Aug.,2008

    ・学术动态・

    锂离子电池发展的前瞻

    ——第14届国际锂电池会议评述

    何向明1,李建刚2,王莉1,任建国1

    (1.清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084;2.北京石油化工学院化学工程系,北京102617) 摘要:介绍了2008年6月22—28日在中国天津召开的第14届国际锂电池会议的学术发展情况。具有较好安全性能的磷 酸铁锂正极材料和具有较高倍率特性和较好循环性能的纳米电极材料是最近的研究热点;改进负极材料和电解质,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。 关键词:第14届国际锂电池会议(The IML&14);锂离子电池;磷酸铁锂;动力电池 中图分类号:TM912.9 文献标识码:A 文章编号:1001—1579(2008)04一0221一04

    Pr吣pect of the development of Li-ion batteries

    ——Report

    on

    the 1 4th Intemational M eeting

    on

    Lithium Batteries

    HE xiang-min91,LI

    Jian—gan92,wANG

    Lil,REN

    Jian・gu01

    (1.,m£i‘u据叮Ⅳw玩r&肌lc}E船fgy Abs饥In:Development

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    M∞6qgy,乃i7‘咖№U厅i口e"盼,&吵喈l00084,吼iM;    Inte瑚tioIlal

    Meeting∞Litllium Batteri伪(The IML&14,TiaIIjin,

    ph∞phate∞thode material with better safety

    2.&枷f叮仇m浏E叼i脯r嘶,既玎嘶,船m比可砌r0出m删‰.II蒯叼,&玎嘶102617,傩i,lo)

    of litllium

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    The 14th iron

    ClIim,JllIIe 22—28,2008)w舾introduoed.LitKum m8t甜als material锄d eI∞t耐Iyte    with higher mte performarIce and better cycle w衄tbe key

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    wem

    perfo珊aI忱明d n衄o-scale the瑚ear|ch fbc岫.The improVement of蛐ode

    imProve the safboy

    performarl∞of Li-ion battery.The optimization of the t∞hnologi∞of

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    as8embly and the balarlce ofthe batteri篇we陀the key

    t∞hnoIogy

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    1畸w咖rds:The

    14th

    Intemational Meeting httery

    on

    Litllium

    Batteri∞(The IML日114);

    power

    每两年举行一次的国际锂电池会议(IMLB)旨在促进国 际电池界的合作和交流,为锂电池科学家和工程师提供一个 讨论锂电池基础科学、革新和应用的论坛,会议也为交流新 思想,展示新成果提供了很好的机会。 IMLB是锂离子电池领域最重要的国际会议,我国著名 电池专家毕道治主持了1990年5月28日至6月1日在北京 香山召开的The IML&5,当时有来自13个国家和地区的44 位代表与来自国内的近100名代表出席会议,交流论文118 篇[1|。 2006年在法国举行的The IML&13,有来自近50个国 作者简介:

    家的600多位科学家和电池工作者参加。 2008年6月22—28日在我国天津举行的第14届IMLB (The IML&14)由我国著名锂电池专家汪继强教授主持,近

    1

    000位科学家和电池工作者参加会议.收到了论文600

    多篇。 如此重要的国际会议再次在我国召开,说明我国在锂电 池的研发和生产方面已经走在世界前列,得到了国际同行的 认可。从研发方面来看,我国研发锂电池的规模已处于世界 第一的位置。从SCI收录的论文检索结果分析中可以看出, 近3年来收录锂电池论文数量前5位的国家为中国、美国、

    何向明(1965一),男,云南人,清华大学核能与新能源技术研究院副研究员,研究方向:化学电源,本文联系人; 李建刚(1966一),男,山西人,北京石油化工学院化学工程系副教授,研究方向:锂离子电池及材料; 王莉(1977一),女,河北人,清华大学核能与新能源技术研究院助理研究员,研究方向:锂离子电池及材料; 任建国(1977一),男,山东人,清华大学核能与新能源技术研究院助理研究员,研究方向:锂离子电池及材料。

    万方数据

    电

    BATTERY

    池

    BIMONTHLY

    第38卷

    日本、韩国和法国,这5个国家收录的锂电池论文数量占全 世界ScI收录锂电池论文数量的80%左右(表1)[引。 表l近3年SCI收录各国有关锂电池研究论文统计

    1I址洳1 The 8tati8tic8 of SCl・indexed paper about litllium

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    表3第14届IMLB会议论文分类统计 1铀k 3

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    IMLml4

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    从表l可知,中国锂电池研究论文的数量领先于其他 国家。 本次IMLBl4会议有约150篇论文来自中国,占论文总 数的l/4,领先于其他国家。 我国涉足锂电池研发的机构约200家,其中有4家研发 机构的sCI收录论文进入世界前5位(表2)【刘。这表明近年 来我国锂电池的研发正如日中天,同时,确立了我国在锂电 池研发中的国际地位。 表2近3年研发机构被SCI收录锂电池论文统计    1I龇2

    The 8tati8ticB of b砒tery by

    SCI-indexed paper about litllium    i船titutio肿

    了解锂电池研发的热点所在,掌握研发的发展方向,是 这次IMLml4会议的主要目的之一。本文作者通过对会议 论文的统计分析,以期从一个侧面了解锂电池发展的趋势。 本次IML阻14会议共收到论文619篇,其中大会口头报 告82篇,其余为墙报交流。大会报告分为总论、纳米材料、 负极材料、正极材料、新电解质与新电池体系、基础研究、动 力电池和电池安全性等共8个部分。详细统计情况参见表 3。某些论文很难准确分类,因此表3只是粗略的统计结果, 欲了解详细信息,请查阅会议论文集【3J。 从表3可知,锂离子电池正极材料的研究热点主要是磷 酸铁锂,论文数占正极材料论文数的近l/3,其余热点为尖晶 石锰酸锂、锂镍锰钴氧三元金属复合氧化物和钴酸锂等 材料。 负极材料的研究主要集中在锡基材料、硅基材料、复合 材料和石墨材料等方面。电解质的研究主要集中在固态聚 合物电解质、凝胶聚合物电解质、电解质添加剂、离子液体电 解质和特种功能电解质等方面。新电池体系主要有锂硫电 池、水溶液电解质锂离子电池、锂空气电池、纯固体电解质 电池和薄膜电池等。纳米技术在锂电池方面的应用也是本 次会议的热点,有近70篇论文内容与纳米技术有关。锂离 子动力电池在本次会议上受到广泛的关注,相关的正负极材 料、电解质及动力电池的制备技术均是研发的热点。锂离子 电池的安全性同样是关注的热点。 现就各主要方面的研究情况介绍如下。

    l锂离子电池正极材料

    磷酸铁锂是本次会议的最大热点。制备方法主要为固 相法、溶胶.凝胶法、球磨法和超临界水合成等。提高磷酸铁 锂导电率的手段主要是复合碳,采用不同的碳源和制备方法 是改善磷酸铁锂导电性的主要手段。 值得关注的是硅酸铁(锰)锂可能成为今后的研究热点 [36,IML&14论文集中的摘要编号,下同]。从应用环保和 资源两方面的考虑,不含金属的有机(聚合物)正极材料正逐

    万方数据

    第4期 步受到人们的关注[3]。

    1.1

    何向明,等:锂离子电池发展的前瞻——第14届国际锂电池会议评述

    米技术在LiFeP04/c、Li2Fesi04/C等低导电性正极材料的 制备中,得到了广泛应用[227,230,242,271,276,283,396, 410]。对其他正极材料而言,纳米技术同样可提高大电流放 电能力。如水热法合成的纳米LjC002材料,loo c放电比 容量达1 c放电比容量的90%[265];而水热法合成的纳米 C也可

    无机物型正极材料仍是主导 磷酸铁锂是本次会议最大热点。这主要是由于该材料

    具有低成本、高安全性和长循环寿命等特点,迎合了动力锂 离子电池市场的需

求。提高导电性仍是该材料研究的主题。 控制颗粒粒径至亚微米或纳米,以缩短锂离子扩散距离,并 结合掺杂或在颗粒表面包覆导电材料,提高电子导电率,被 证明是较为有效的方法。 报道的制备方法涉及碳热还原法[234,249,269,280, 296,333,340,356,3“,422]、水热法[227,282]、溶胶.凝胶法 [320,381,419]、沉淀法[229,321,399]、水淬冷[423]和机械 球磨[316]等,其中碳热还原法仍是研究的重点。因为该方 法可将碳材料所具有的还原作用、抑制颗粒生长和提高导电 率等效应综合发挥出来。报道的包覆材料有碳、聚并苯

    屿.“Mn02材料,l C放电比容量达250

    mAh/g,100

    放出llO mAh/g的比容量[371]。在尖晶石型锰基正极材料 的制备中,纳米技术不仅提高了活性物质的利用率,还因材 料粒径小,减小了Jahr卜Tener效应,循环性能的改善显著,纳 米Lill Mn203.95F0.05的放电比容量为143 mAh/g,接近理论 比容量,80次循环后,容量保持率为98%[337]。LiNiD.5

    Mnl

    504材料在3.5—5.O V区间的比容量达130

    mAh/g,50

    ℃循环性能极佳,且40 C放电比容量为1 C时的80%以上 [263]。纳米技术与碳包覆相结合,可进一步提高倍率放电 性能,纳米LiMn204/C复合材料的50 C放电比容量可达

    O.5

    (PAs)、碳纳米管和鲰等[257,268,276,288,292,340,347,

    359,367,399,417,427],其中,碳材料是包覆的重点。碳源、 碳添加量、包覆厚度与均匀度对材料的电性能都有显著的影 响。掺杂研究的论文也有10多篇,可通过Tj、La、B、m、M卧 zr、cr和Mn等置换部分Fe或“,提高材料的导电性和放电 性能[253,260,304,305,316,328,330,350,396,399,429],

    c放电比容量的88%[237]。

    为了克服纳米材料密度低、加工性能差等缺点,本次会

    议报道了采用喷雾干燥与模板技术相结合,制备间隙孔型球 状LiFeP04/c的技术,所制备材料的密度得到了提高,每个 微米级球形颗粒都是由纳米尺寸的一次颗粒聚集而成,l 放电比容量达150

    mAh/g,20 C

    其中Mg置换部分Fe的效果最好。v山nce公司报道制备的

    Li(FeMg)P04材料的20 c放电容量与1 c放电容量的完全 一样[330]。 其他研究论文涉及Ni.co_Mn三元材料[226,239,245,

    254,259,277,281,287,295,297,302,314,351—354,361,

    c放电比容量可达1 C放电比

    容量的85%以上,值得关注[230,410]。 1.3有机物型正极材料的研究备受关注 纳米碳复合聚苯胺、聚三甲基噻酚和聚吡咯等正极材料 的倍率特性显著改善。双模板孔状碳/聚吡咯复合正极材料

    以0.1 A/g的电流充放电,比容量达80 mAh/g;将电流提高 至40 A/g,仍可获得61 mAh/g的比容量[228]。碳纳米管

    368,375,385,386,390,391,407,409,414]、尖晶石型锰基材 料[235,237,285,310,318,332,337,339,346,376,4JD4,405, 加8,418,421,425,240,252,263,300,34l,342,411]、LiC002 [265,272,278,289,291,298,299,309,327,3

45,370,379,

    阵列/聚苯胺复合电极的10 C放电比容量约为70

    260

    mAh/g,

    c放电比容量仍有37 mAh/g[267]。CF,型正极材料的

    383,加2]、LiNi0.BC00.15仙.050j[233,24l,303,307,312,319,

    378,401,420]、硅酸盐型材料[274,275,283,343,372,406] 和Li2Mn03[258,262,266,315,344,357,374]等。Lic002材 料研究的再次回温,与薄膜型可充锂离子电池的发展有关, 相关研究以LiCoO:薄膜制备技术(如射频溅射、电子回旋共 振溅射)为主。Li2Msi04(M=Fe、Mn)正极材料的研究也取 得了一定的进展,制备的Li2FeSi04性能较好,放电比容量约 为160

    mAh/g,lO

    电压平台约为2.2—2.4 v,放电比容量可达800 mAh/g,碳 纳米管基CF。型正极材料的1 C放电性能很好,4 c放电比 容量也可达到700 mAh/g以上;CF0琊材料的20 C放电比 容量达到500 mAh/g以上[16]。聚硫代蒽醌型正极材料在

    1.4~3.2

    v电压区问的比容量可达180 mAh/异,循环性能也

    较好[7]。新型有机物型正极材料Li,c606也表现出较好的 电化学性能,单位分子c606可与4个多锂离子发生可逆反 应,比能量和能量密度都与LiFeP04的类似[3]。 有机物具有便于回收、安全、环保和可设计合成为多种 类型等特点,因此,该类正极材料的发展将备受关注。

    C放电比容量为78 mAh/g,循环性能极佳

    [34]。Ni-co-Mn三元材料、尖晶石型锰基材料、LiNi0.8c00.15

    他.05 02和Li2Mn03正极材料的研究,主要集中于优化组成

    与制备条件、包覆或掺杂改性等方面,目的是进一步提高容 量、高温高压下的循环特性以及热安全性。新型正极材料 (1一量)Li2Mn03・鼻“M‘02的放电比容量可达250 mAh/g以 上,值得关注[258,3“]。新型正极材料“Fe“04[325]、 Li2 TiF6[349]和NaMF3(M=Fe、Mn和Ni)[335]的研究,也 有少量报道。 1.2纳米技术在电池材料制备中得到充分应用 为了迎合动力电池高功率的要求,制备晶粒尺寸小、结 晶度高且导电性好的正极材料的技术引起了广泛关注。纳

    2锂离子电池负极材料

    石墨类材料目前依然是不可替代的负极材料[1],但人 们一直尝试把合金负极材料推向实用化[18]。相对正极材 料而言,合金负极材料的研究没有明显的热点,只是相对集 中在锡基和硅基材料体系。纳米结构、无定形化、薄膜材料 和多孔结构等,依然是主要的研究亮点;首次充放电效率依 然是限制合金负极实用化的主要障碍。纳米合金具有较短 的扩散路径和较大的反应面积,适合用作动力电池的电极材    万方数据

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    第38卷

    料;但纳米合金的高活性导致表面生成不稳定的sEI膜,并 容易发生团聚。实用的做法是在纳米合金颗粒表面包覆非 活性层,或将纳米合金颗粒包埋在稳定的基体中。Sn—C0-C 是目前研究较为成熟的合金负极体系。无定形Sn.Co纳米 合金颗粒均匀分散在无序的碳基体中,材料的可逆比容量为

    500

    性的又一课题[74]。 动力电池的发展瓶颈依然是电池组的平衡问题,通过外 电路优化补偿,是目前提高电池组性能的有效方法之一。研 究电池组性能衰减机理及如何提高电池组的性能,是未来锂 离子动力电池研发的关键[66,73]。 除了活性物质,粘结剂材料的研究也是这次会议的热点 之一,伴随着新型正、负极材料的研究,粘结剂的研究内容将 会更为丰富[5]。 新电池体系的研究受到进一步的关注。锂空气电池是 理论比容量最高的电化学储能体系,电极的比容量超过1    200

    mAh/g,不可逆比容量为50 mAh/g,密度为6.7 g/cm3;    100次循环后,比容量无衰减[18]。进一步的工作是,降低材 料中Co的含量或用其他廉价的金属来替代Co。粘结剂的 种类、材料的比表面积和电解液的配方等,对硅基合金的性 能有较大的影响,聚酰亚胺适合用作硅基合金的粘结剂,电 解液中添加碳酸亚乙烯酯(vc),能大大改善材料的循环性 能,当比表面积较小时,硅基合金具有比石墨更好的热稳定 性[17,19]。

    mAh/异,放电电压为2.5—3.O v。采用适当的催化剂,

    放电产生的氧化锂可充电还原为金属锂,使锂空气电池成为 高比容量的二次电池。锂空气电池的研究将成为高比容量 电池研究者关注的重点[586,602,608,618]。 介孔碳材料复合单质硫可大大提高硫的利用率,是制备 单质硫正极材料的有效方法[610]。以石墨为负极的锂硫电 池,具有很好的循环性能,可以作为储能电池的备选方案 [592]。 水溶液电解质锂离子电池的安全性很好[578,580,600, 609]。以硫酸锂或硝酸锂饱和水溶液作为电解质,正极可采 用磷酸铁锂或钴酸锂,负极采用钛酸锂等。水溶液电解质锂 离子电池不仅安全性好,制备成本也较低,有可能成为动力 电池的选择之一。

    3锂离子电池电解质

    电解质方面的研究也没有明显的热点,研究和探索的方 面很多,涉及离子液体和塑晶新型电解质体系、新型锂盐、添 加剂、电解质溶剂、凝胶及聚合物电解质、研究界面问题、无 机固态电解质和进行锂离子迁移数测定等基础研究。 凝胶和聚合物电解质的研究多处于实验室基础研究阶 段,能体现全电池的工作还没有,主要困难是较难实现基于 凝胶和聚合物电解质的电池制备工艺[1]。微孔型纯凝胶电 解质的电池制备工艺受到普遍置疑,其实用化的道路还很漫 长[74]。电池工艺是固态聚合物电解质研究中的重要内容, 例如,设计合理的电池工艺以提高电解质与多孔电极的接触 效率,是实用化的关键性问题[486]。离子液体因较高的离 子电导率和热稳定性,受到了较多关注,它也可应用于凝胶 电解质[470,471]。 值得指出的是,硼基化合物在新型溶剂[43l,“5,448, 449]和锂盐[51,442,436]方面均有良好表现,如x.Q.Yan异 等[50]将硼基Lewi8酸作为电解液助剂,利用它对F一和02一 的键合作用,提高了难溶锂盐LiF和Li20在Pc+DMc和 EC+DMc中的溶解度,使得LiF和Li20能够作为可溶性锂 盐应用于电解液,且该电解液对LiFeP04和McMB都表现 出了相当好的性能。该研究不仅为功能型电解液的研究开 辟了新的方向,对锂空气电池的发展也有相当重要的意义。 锂离子电池电解液添加剂多以含磷化合物为主,目的是 提高电解质的热稳定性。液体电解质除了朝高功率、低温电 解液方向发展外。本次会议特别展示了高电压电解液和高温 电解液(>100℃)研究方面的重大突破。例如SAFT公司研 制的高电压电解液,通过改变SEI膜的组成,提高了LiC002 在4.4 V的循环性能,在容量保持率为85%时,循环寿命从不到 50次提高至超过700次;而研制的高温电解液,则使全电池在 110℃时,循环60次后的容量保持率仍超过∞%[4—8]。

    5结语

    第14届国际锂电池会议展示了锂离子电池研发的最新 进展,研究热点主要集中在磷酸铁锂,高温性能和大倍率性 能已经突破,磷酸铁锂动力电池是目前最集中的热点。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。 动力电池发展的瓶颈是电池组的平衡问题,通过外电路 优化补偿,是目前提高电池组性能的有效方法之一。 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。 除了材料研究,有关动力电池的研究也很多,国内外许 多企业以最新的研发成果证明了锂离子电池依然是一个蓬 勃发展的行业。 参考文献: [1] [2]

    [3】 Ext朗ded Abstr∽t8 of the 5th Int口TImionll Mccting BBtte—es[c].Thc lMLB-5,Be巧ing:1990.

    web of Book of

    on

    Litllium

    4其他电池体系

    除了电解质外,磷酸铁锂电池的安全性因素集中到了碳 负极上,研究导热系数低的碳材料,是解决锂离子电池安全

    sd曲∞[ED/OL].http://8pp8.i面knowkdge.∞m. of the 14th Intem砒i佣d M∞ting叩LitIIium

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    ——第14届国际锂电池会议评述

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    (1.清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084;2.北京石油化工学院化学工程系,北京102617) 摘要:介绍了2008年6月22—28日在中国天津召开的第14届国际锂电池会议的学术发展情况。具有较好安全性能的磷 酸铁锂正极材料和具有较高倍率特性和较好循环性能的纳米电极材料是最近的研究热点;改进负极材料和电解质,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。 关键词:第14届国际锂电池会议(The IML&14);锂离子电池;磷酸铁锂;动力电池 中图分类号:TM912.9 文献标识码:A 文章编号:1001—1579(2008)04一0221一04

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    power

    每两年举行一次的国际锂电池会议(IMLB)旨在促进国 际电池界的合作和交流,为锂电池科学家和工程师提供一个 讨论锂电池基础科学、革新和应用的论坛,会议也为交流新 思想,展示新成果提供了很好的机会。 IMLB是锂离子电池领域最重要的国际会议,我国著名 电池专家毕道治主持了1990年5月28日至6月1日在北京 香山召开的The IML&5,当时有来自13个国家和地区的44 位代表与来自国内的近100名代表出席会议,交流论文118 篇[1|。 2006年在法国举行的The IML&13,有来自近50个国 作者简介:

    家的600多位科学家和电池工作者参加。 2008年6月22—28日在我国天津举行的第14届IMLB (The IML&14)由我国著名锂电池专家汪继强教授主持,近

    1

    000位科学家和电池工作者参加会议.收到了论文600

    多篇。 如此重要的国际会议再次在我国召开,说明我国在锂电 池的研发和生产方面已经走在世界前列,得到了国际同行的 认可。从研发方面来看,我国研发锂电池的规模已处于世界 第一的位置。从SCI收录的论文检索结果分析中可以看出, 近3年来收录锂电池论文数量前5位的国家为中国、美国、

    何向明(1965一),男,云南人,清华大学核能与新能源技术研究院副研究员,研究方向:化学电源,本文联系人; 李建刚(1966一),男,山西人,北京石油化工学院化学工程系副教授,研究方向:锂离子电池及材料; 王莉(1977一),女,河北人,清华大学核能与新能源技术研究院助理研究员,研究方向:锂离子电池及材料; 任建国(1977一),男,山东人,清华大学核能与新能源技术研究院助理研究员,研究方向:锂离子电池及材料。

    万方数据

    电

    BATTERY

    池

    BIMONTHLY

    第38卷

    日本、韩国和法国,这5个国家收录的锂电池论文数量占全 世界ScI收录锂电池论文数量的80%左右(表1)[引。 表l近3年SCI收录各国有关锂电池研究论文统计

    1I址洳1 The 8tati8tic8 of SCl・indexed paper about litllium

    battery by

    表3第14届IMLB会议论文分类统计 1铀k 3

    The

    clE嘲m∞tion 8tati8tics“p。e鸵ntation8    of the

    IMLml4

    oountrj髑

    从表l可知,中国锂电池研究论文的数量领先于其他 国家。 本次IMLBl4会议有约150篇论文来自中国,占论文总 数的l/4,领先于其他国家。 我国涉足锂电池研发的机构约200家,其中有4家研发 机构的sCI收录论文进入世界前5位(表2)【刘。这表明近年 来我国锂电池的研发正如日中天,同时,确立了我国在锂电 池研发中的国际地位。 表2近3年研发机构被SCI收录锂电池论文统计    1I龇2

    The 8tati8ticB of b砒tery by

    SCI-indexed paper about litllium    i船titutio肿

    了解锂电池研发的热点所在,掌握研发的发展方向,是 这次IMLml4会议的主要目的之一。本文作者通过对会议 论文的统计分析,以期从一个侧面了解锂电池发展的趋势。 本次IML阻14会议共收到论文619篇,其中大会口头报 告82篇,其余为墙报交流。大会报告分为总论、纳米材料、 负极材料、正极材料、新电解质与新电池体系、基础研究、动 力电池和电池安全性等共8个部分。详细统计情况参见表 3。某些论文很难准确分类,因此表3只是粗略的统计结果, 欲了解详细信息,请查阅会议论文集【3J。 从表3可知,锂离子电池正极材料的研究热点主要是磷 酸铁锂,论文数占正极材料论文数的近l/3,其余热点为尖晶 石锰酸锂、锂镍锰钴氧三元金属复合氧化物和钴酸锂等 材料。 负极材料的研究主要集中在锡基材料、硅基材料、复合 材料和石墨材料等方面。电解质的研究主要集中在固态聚 合物电解质、凝胶聚合物电解质、电解质添加剂、离子液体电 解质和特种功能电解质等方面。新电池体系主要有锂硫电 池、水溶液电解质锂离子电池、锂空气电池、纯固体电解质 电池和薄膜电池等。纳米技术在锂电池方面的应用也是本 次会议的热点,有近70篇论文内容与纳米技术有关。锂离 子动力电池在本次会议上受到广泛的关注,相关的正负极材 料、电解质及动力电池的制备技术均是研发的热点。锂离子 电池的安全性同样是关注的热点。 现就各主要方面的研究情况介绍如下。

    l锂离子电池正极材料

    磷酸铁锂是本次会议的最大热点。制备方法主要为固 相法、溶胶.凝胶法、球磨法和超临界水合成等。提高磷酸铁 锂导电率的手段主要是复合碳,采用不同的碳源和制备方法 是改善磷酸铁锂导电性的主要手段。 值得关注的是硅酸铁(锰)锂可能成为今后的研究热点 [36,IML&14论文集中的摘要编号,下同]。从应用环保和 资源两方面的考虑,不含金属的有机(聚合物)正极材料正逐

    万方数据

    第4期 步受到人们的关注[3]。

    1.1

    何向明,等:锂离子电池发展的前瞻——第14届国际锂电池会议评述

    米技术在LiFeP04/c、Li2Fesi04/C等低导电性正极材料的 制备中,得到了广泛应用[227,230,242,271,276,283,396, 410]。对其他正极材料而言,纳米技术同样可提高大电流放 电能力。如水热法合成的纳米LjC002材料,loo c放电比 容量达1 c放电比容量的90%[265];而水热法合成的纳米 C也可

    无机物型正极材料仍是主导 磷酸铁锂是本次会议最大热点。这主要是由于该材料

    具有低成本、高安全性和长循环寿命等特点,迎合了动力锂 离子电池市场的需

求。提高导电性仍是该材料研究的主题。 控制颗粒粒径至亚微米或纳米,以缩短锂离子扩散距离,并 结合掺杂或在颗粒表面包覆导电材料,提高电子导电率,被 证明是较为有效的方法。 报道的制备方法涉及碳热还原法[234,249,269,280, 296,333,340,356,3“,422]、水热法[227,282]、溶胶.凝胶法 [320,381,419]、沉淀法[229,321,399]、水淬冷[423]和机械 球磨[316]等,其中碳热还原法仍是研究的重点。因为该方 法可将碳材料所具有的还原作用、抑制颗粒生长和提高导电 率等效应综合发挥出来。报道的包覆材料有碳、聚并苯

    屿.“Mn02材料,l C放电比容量达250

    mAh/g,100

    放出llO mAh/g的比容量[371]。在尖晶石型锰基正极材料 的制备中,纳米技术不仅提高了活性物质的利用率,还因材 料粒径小,减小了Jahr卜Tener效应,循环性能的改善显著,纳 米Lill Mn203.95F0.05的放电比容量为143 mAh/g,接近理论 比容量,80次循环后,容量保持率为98%[337]。LiNiD.5

    Mnl

    504材料在3.5—5.O V区间的比容量达130

    mAh/g,50

    ℃循环性能极佳,且40 C放电比容量为1 C时的80%以上 [263]。纳米技术与碳包覆相结合,可进一步提高倍率放电 性能,纳米LiMn204/C复合材料的50 C放电比容量可达

    O.5

    (PAs)、碳纳米管和鲰等[257,268,276,288,292,340,347,

    359,367,399,417,427],其中,碳材料是包覆的重点。碳源、 碳添加量、包覆厚度与均匀度对材料的电性能都有显著的影 响。掺杂研究的论文也有10多篇,可通过Tj、La、B、m、M卧 zr、cr和Mn等置换部分Fe或“,提高材料的导电性和放电 性能[253,260,304,305,316,328,330,350,396,399,429],

    c放电比容量的88%[237]。

    为了克服纳米材料密度低、加工性能差等缺点,本次会

    议报道了采用喷雾干燥与模板技术相结合,制备间隙孔型球 状LiFeP04/c的技术,所制备材料的密度得到了提高,每个 微米级球形颗粒都是由纳米尺寸的一次颗粒聚集而成,l 放电比容量达150

    mAh/g,20 C

    其中Mg置换部分Fe的效果最好。v山nce公司报道制备的

    Li(FeMg)P04材料的20 c放电容量与1 c放电容量的完全 一样[330]。 其他研究论文涉及Ni.co_Mn三元材料[226,239,245,

    254,259,277,281,287,295,297,302,314,351—354,361,

    c放电比容量可达1 C放电比

    容量的85%以上,值得关注[230,410]。 1.3有机物型正极材料的研究备受关注 纳米碳复合聚苯胺、聚三甲基噻酚和聚吡咯等正极材料 的倍率特性显著改善。双模板孔状碳/聚吡咯复合正极材料

    以0.1 A/g的电流充放电,比容量达80 mAh/g;将电流提高 至40 A/g,仍可获得61 mAh/g的比容量[228]。碳纳米管

    368,375,385,386,390,391,407,409,414]、尖晶石型锰基材 料[235,237,285,310,318,332,337,339,346,376,4JD4,405, 加8,418,421,425,240,252,263,300,34l,342,411]、LiC002 [265,272,278,289,291,298,299,309,327,3

45,370,379,

    阵列/聚苯胺复合电极的10 C放电比容量约为70

    260

    mAh/g,

    c放电比容量仍有37 mAh/g[267]。CF,型正极材料的

    383,加2]、LiNi0.BC00.15仙.050j[233,24l,303,307,312,319,

    378,401,420]、硅酸盐型材料[274,275,283,343,372,406] 和Li2Mn03[258,262,266,315,344,357,374]等。Lic002材 料研究的再次回温,与薄膜型可充锂离子电池的发展有关, 相关研究以LiCoO:薄膜制备技术(如射频溅射、电子回旋共 振溅射)为主。Li2Msi04(M=Fe、Mn)正极材料的研究也取 得了一定的进展,制备的Li2FeSi04性能较好,放电比容量约 为160

    mAh/g,lO

    电压平台约为2.2—2.4 v,放电比容量可达800 mAh/g,碳 纳米管基CF。型正极材料的1 C放电性能很好,4 c放电比 容量也可达到700 mAh/g以上;CF0琊材料的20 C放电比 容量达到500 mAh/g以上[16]。聚硫代蒽醌型正极材料在

    1.4~3.2

    v电压区问的比容量可达180 mAh/异,循环性能也

    较好[7]。新型有机物型正极材料Li,c606也表现出较好的 电化学性能,单位分子c606可与4个多锂离子发生可逆反 应,比能量和能量密度都与LiFeP04的类似[3]。 有机物具有便于回收、安全、环保和可设计合成为多种 类型等特点,因此,该类正极材料的发展将备受关注。

    C放电比容量为78 mAh/g,循环性能极佳

    [34]。Ni-co-Mn三元材料、尖晶石型锰基材料、LiNi0.8c00.15

    他.05 02和Li2Mn03正极材料的研究,主要集中于优化组成

    与制备条件、包覆或掺杂改性等方面,目的是进一步提高容 量、高温高压下的循环特性以及热安全性。新型正极材料 (1一量)Li2Mn03・鼻“M‘02的放电比容量可达250 mAh/g以 上,值得关注[258,3“]。新型正极材料“Fe“04[325]、 Li2 TiF6[349]和NaMF3(M=Fe、Mn和Ni)[335]的研究,也 有少量报道。 1.2纳米技术在电池材料制备中得到充分应用 为了迎合动力电池高功率的要求,制备晶粒尺寸小、结 晶度高且导电性好的正极材料的技术引起了广泛关注。纳

    2锂离子电池负极材料

    石墨类材料目前依然是不可替代的负极材料[1],但人 们一直尝试把合金负极材料推向实用化[18]。相对正极材 料而言,合金负极材料的研究没有明显的热点,只是相对集 中在锡基和硅基材料体系。纳米结构、无定形化、薄膜材料 和多孔结构等,依然是主要的研究亮点;首次充放电效率依 然是限制合金负极实用化的主要障碍。纳米合金具有较短 的扩散路径和较大的反应面积,适合用作动力电池的电极材    万方数据

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    224 BATTERY

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    第38卷

    料;但纳米合金的高活性导致表面生成不稳定的sEI膜,并 容易发生团聚。实用的做法是在纳米合金颗粒表面包覆非 活性层,或将纳米合金颗粒包埋在稳定的基体中。Sn—C0-C 是目前研究较为成熟的合金负极体系。无定形Sn.Co纳米 合金颗粒均匀分散在无序的碳基体中,材料的可逆比容量为

    500

    性的又一课题[74]。 动力电池的发展瓶颈依然是电池组的平衡问题,通过外 电路优化补偿,是目前提高电池组性能的有效方法之一。研 究电池组性能衰减机理及如何提高电池组的性能,是未来锂 离子动力电池研发的关键[66,73]。 除了活性物质,粘结剂材料的研究也是这次会议的热点 之一,伴随着新型正、负极材料的研究,粘结剂的研究内容将 会更为丰富[5]。 新电池体系的研究受到进一步的关注。锂空气电池是 理论比容量最高的电化学储能体系,电极的比容量超过1    200

    mAh/g,不可逆比容量为50 mAh/g,密度为6.7 g/cm3;    100次循环后,比容量无衰减[18]。进一步的工作是,降低材 料中Co的含量或用其他廉价的金属来替代Co。粘结剂的 种类、材料的比表面积和电解液的配方等,对硅基合金的性 能有较大的影响,聚酰亚胺适合用作硅基合金的粘结剂,电 解液中添加碳酸亚乙烯酯(vc),能大大改善材料的循环性 能,当比表面积较小时,硅基合金具有比石墨更好的热稳定 性[17,19]。

    mAh/异,放电电压为2.5—3.O v。采用适当的催化剂,

    放电产生的氧化锂可充电还原为金属锂,使锂空气电池成为 高比容量的二次电池。锂空气电池的研究将成为高比容量 电池研究者关注的重点[586,602,608,618]。 介孔碳材料复合单质硫可大大提高硫的利用率,是制备 单质硫正极材料的有效方法[610]。以石墨为负极的锂硫电 池,具有很好的循环性能,可以作为储能电池的备选方案 [592]。 水溶液电解质锂离子电池的安全性很好[578,580,600, 609]。以硫酸锂或硝酸锂饱和水溶液作为电解质,正极可采 用磷酸铁锂或钴酸锂,负极采用钛酸锂等。水溶液电解质锂 离子电池不仅安全性好,制备成本也较低,有可能成为动力 电池的选择之一。

    3锂离子电池电解质

    电解质方面的研究也没有明显的热点,研究和探索的方 面很多,涉及离子液体和塑晶新型电解质体系、新型锂盐、添 加剂、电解质溶剂、凝胶及聚合物电解质、研究界面问题、无 机固态电解质和进行锂离子迁移数测定等基础研究。 凝胶和聚合物电解质的研究多处于实验室基础研究阶 段,能体现全电池的工作还没有,主要困难是较难实现基于 凝胶和聚合物电解质的电池制备工艺[1]。微孔型纯凝胶电 解质的电池制备工艺受到普遍置疑,其实用化的道路还很漫 长[74]。电池工艺是固态聚合物电解质研究中的重要内容, 例如,设计合理的电池工艺以提高电解质与多孔电极的接触 效率,是实用化的关键性问题[486]。离子液体因较高的离 子电导率和热稳定性,受到了较多关注,它也可应用于凝胶 电解质[470,471]。 值得指出的是,硼基化合物在新型溶剂[43l,“5,448, 449]和锂盐[51,442,436]方面均有良好表现,如x.Q.Yan异 等[50]将硼基Lewi8酸作为电解液助剂,利用它对F一和02一 的键合作用,提高了难溶锂盐LiF和Li20在Pc+DMc和 EC+DMc中的溶解度,使得LiF和Li20能够作为可溶性锂 盐应用于电解液,且该电解液对LiFeP04和McMB都表现 出了相当好的性能。该研究不仅为功能型电解液的研究开 辟了新的方向,对锂空气电池的发展也有相当重要的意义。 锂离子电池电解液添加剂多以含磷化合物为主,目的是 提高电解质的热稳定性。液体电解质除了朝高功率、低温电 解液方向发展外。本次会议特别展示了高电压电解液和高温 电解液(>100℃)研究方面的重大突破。例如SAFT公司研 制的高电压电解液,通过改变SEI膜的组成,提高了LiC002 在4.4 V的循环性能,在容量保持率为85%时,循环寿命从不到 50次提高至超过700次;而研制的高温电解液,则使全电池在 110℃时,循环60次后的容量保持率仍超过∞%[4—8]。

    5结语

    第14届国际锂电池会议展示了锂离子电池研发的最新 进展,研究热点主要集中在磷酸铁锂,高温性能和大倍率性 能已经突破,磷酸铁锂动力电池是目前最集中的热点。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。 动力电池发展的瓶颈是电池组的平衡问题,通过外电路 优化补偿,是目前提高电池组性能的有效方法之一。 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。 除了材料研究,有关动力电池的研究也很多,国内外许 多企业以最新的研发成果证明了锂离子电池依然是一个蓬 勃发展的行业。 参考文献: [1] [2]

    [3】 Ext朗ded Abstr∽t8 of the 5th Int口TImionll Mccting BBtte—es[c].Thc lMLB-5,Be巧ing:1990.

    web of Book of

    on

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    4其他电池体系

    除了电解质外,磷酸铁锂电池的安全性因素集中到了碳 负极上,研究导热系数低的碳材料,是解决锂离子电池安全

    sd曲∞[ED/OL].http://8pp8.i面knowkdge.∞m. of the 14th Intem砒i佣d M∞ting叩LitIIium

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    Bait耐船[C】.The IML口14,T协讧n:2008.    收稿日期:2008—0r7一Ol

    万方数据


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