在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時代，鋰電池已經(jīng)成為我們生活中不可或缺的一部分。從智能手機、平板電腦等消費電子產(chǎn)品，到電動汽車等交通工具，再到電網(wǎng)能源儲存等工業(yè)領(lǐng)域，鋰電池的廣泛應(yīng)用極大地改變了我們的生活方式。

鋰電池之所以能夠在眾多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，與其優(yōu)異的性能特點密不可分。它具有高能量密度，能夠在較小的體積和重量下儲存大量的電能；循環(huán)壽命長，可進行多次充放電而性能不會明顯下降；自放電率低，在閑置狀態(tài)下能夠保持較長時間的電量；同時，鋰電池還具有無記憶效應(yīng)、環(huán)保等優(yōu)點。這些特點使得鋰電池在現(xiàn)代生活中備受青睞，也引發(fā)了人們對其組成材料的濃厚興趣。接下來，我們將深入探討鋰電池的組成材料，揭開其神秘面紗。

二、鋰電池的基本結(jié)構(gòu)

1. 正極：常用材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等，介紹不同正極材料的特點和應(yīng)用場景。

鋰電池的正極材料在很大程度上決定了電池的性能和應(yīng)用場景。目前常用的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等。

鈷酸鋰：是現(xiàn)階段商品化鋰離子電池中應(yīng)用最成功、最廣泛的正極材料。它在可逆性、放電容量、充放電效率和電壓穩(wěn)定方面表現(xiàn)較好，主要應(yīng)用于 3C 產(chǎn)品。但鈷酸鋰成本較高、壽命較短。

錳酸鋰：我國錳資源儲量豐富，錳無毒且污染小。錳酸鋰能量密度較低、壽命較短但成本低，主要應(yīng)用于專用車輛。尖晶石型的 LiMn?O? 是正極材料研究的熱點之一。

磷酸鐵鋰：壽命長、安全性好、成本低，主要應(yīng)用于商用車。磷酸鐵鋰具有穩(wěn)定的橄欖石結(jié)構(gòu)，在充放電過程中結(jié)構(gòu)變化較小，安全性高。同時，其原材料來源廣泛，價格相對較低。

三元材料：鎳鈷錳酸鋰（NCM）和鎳鈷鋁酸鋰（NCA）等三元材料能量密度高、循環(huán)性能好、壽命較長，主要應(yīng)用于乘用車。三元材料通過不同比例的鎳、鈷、錳（或鋁）組合，可以調(diào)節(jié)材料的性能。高鎳三元材料正在進一步從 8 系向超高鎳 9 系發(fā)展，大幅抬升了三元材料的進入門檻。

2. 負極：包括碳材料和非碳材料兩大類，如人造石墨、天然石墨、硅基材料等，闡述負極材料的特性和作用。

鋰電池的負極材料主要分為碳材料和非碳材料兩大類。

碳材料：

天然石墨：天然石墨根據(jù)其結(jié)晶狀態(tài)可分為晶質(zhì)石墨和隱晶質(zhì)石墨，常采用天然鱗片狀石墨作為鋰離子電池的負極材料。天然石墨具有對鋰電位低、首次效率高、循環(huán)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但也存在表面缺陷多、比表面積大、首次效率較低、有溶劑化鋰離子共嵌入現(xiàn)象、各向異性強等問題，需要進行改性。

人造石墨：一般采用致密的石油焦或針狀焦作為前驅(qū)體經(jīng)過石墨化高溫處理制成。人造石墨避免了天然石墨的表面缺陷，但仍存在因晶體各向異性導(dǎo)致倍率性能差，低溫性能差，充電易析鋰等問題。

軟碳：軟碳又稱為易石墨化碳材料，在 2500℃以上的高溫下能石墨化。軟碳具有低溫性能優(yōu)異，倍率性能良好等優(yōu)點，但首次充放電時不可逆容量較高，輸出電壓較低，無明顯的充放電平臺，一般不獨立作為負極材料使用，通常作為負極材料包覆物或者組分使用。

硬碳：硬碳又稱難石墨化碳材料，在 2500℃以上的高溫也難以石墨化。硬碳具有極好的充放電性能，如酚醛樹脂在 800℃熱解可得到硬碳材料，其首次充電容量可達 800mAh/g，層間距大有利于鋰離子的嵌入和脫嵌。但硬碳首次不可逆容量很高，電壓平臺滯后，壓實密度低，容易產(chǎn)氣。

非碳材料：

硅基材料：晶體硅材料容量高，但體積膨脹可達 300%，嚴重影響循環(huán)性能。氧化亞硅材料體積膨脹小，但首次效率過低。為提高 SiOx 材料的首次效率，可采用復(fù)合結(jié)構(gòu)，如納米 Si 顆粒分散在 SiOx 顆粒中，顆粒表面包覆多孔碳材料。

錫基材料：錫基材料具有高的比容量，嵌脫鋰電壓適中，自然儲量豐富，價格低廉，無毒，安全性高和環(huán)保等優(yōu)點，但在嵌脫鋰時發(fā)生相變和合金反應(yīng)，產(chǎn)生巨大的體積膨脹效應(yīng)，循環(huán)性能差。

3. 隔膜：以聚乙烯、聚丙烯為主的聚烯烴類隔膜，說明隔膜的重要性和功能。

鋰電池的隔膜是關(guān)鍵的內(nèi)層組件之一，以聚乙烯、聚丙烯為主的聚烯烴類隔膜在鋰電池中起著至關(guān)重要的作用。

重要性：隔膜的性能直接影響電池的容量、循環(huán)以及安全性能等特性。優(yōu)質(zhì)的隔膜是電池生產(chǎn)企業(yè)的必由之路，一旦隔膜被雜質(zhì)或硬物刺破，電池就相當(dāng)于短路了，可能性很大。

功能：

隔離正負極：隔膜的主要作用是使電池的正、負極分隔開來，防止兩極接觸而短路。

離子傳導(dǎo)：具有能使電解質(zhì)離子通過的功能，為鋰離子在正負極之間的移動提供通道。

電子絕緣性：保證正負極的機械隔離，阻止電子直接通過電池內(nèi)部，確保電子只能沿著外部電路流動，從而在外電路中產(chǎn)生電流。

穩(wěn)定性：對電解液的浸潤性好并具有足夠的吸液保濕能力，具有足夠的力學(xué)性能，包括穿刺強度、拉伸強度等，熱穩(wěn)定性和自動關(guān)斷保護性能好。

4. 電解液：由高純度有機溶劑、電解質(zhì)鋰鹽和添加劑組成，講解電解液在鋰電池中的作用。

鋰電池電解液是電池中離子傳輸?shù)妮d體，主要由高純度的有機溶劑、電解質(zhì)鋰鹽、必要的添加劑等原料組成。

成分：

溶劑：一般使用碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸甲乙酯（EMC）等碳酸酯化合物，這些溶劑具有良好的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，可使鋰鹽溶解，為鋰離子創(chuàng)造舒適的 “游泳環(huán)境”。

鋰鹽：最常見的是六氟磷酸鋰（LiPF?），它的作用是提供大量的鋰離子，讓這些離子在正負極之間來回穿梭，完成電荷的轉(zhuǎn)移。雙氟磺酰亞胺鋰（LiFSI）鋰鹽因優(yōu)異的電導(dǎo)性和高低溫穩(wěn)定性，雖成本較高仍被視為 “未來發(fā)展確定性最高的新型鋰鹽”，有望實現(xiàn)對六氟磷酸鋰的部分替代。

添加劑：為了提高電池的性能和安全性，電解液中加入了某些添加劑。這些添加劑可以促進固體電解質(zhì)界面（SEI）膜的形成，減少不必要的化學(xué)反應(yīng)，從而延長電池的使用壽命。

作用：

導(dǎo)電性：電解液在電池中充當(dāng)離子導(dǎo)體。充電時，鋰離子從正極材料中被提取出來，通過電解質(zhì)移動到負極，并嵌入那里。放電時，鋰離子從負極材料中被提取出來，通過電解質(zhì)移動到正極，并嵌入那里。這個過程就像鋰離子在電解質(zhì) “高速公路” 上來回穿梭，使電池能夠儲存和釋放電能。

穩(wěn)定性：有助于維持電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定性，防止過熱、短路或其他潛在危險。例如，有助于形成覆蓋負極表面的固體電解質(zhì)界面 (SEI) 膜，防止電解質(zhì)直接與金屬鋰發(fā)生反應(yīng)，從而減少副反應(yīng)并提高電池的循環(huán)壽命和安全性。此外，電解液的成分和特性會影響電池的熱穩(wěn)定性，避免在高溫或過度充電條件下出現(xiàn)危險情況。

三、鋰電池的發(fā)展歷程

鋰電池的發(fā)展歷經(jīng)了漫長而曲折的過程，從概念提出到如今的廣泛應(yīng)用，離不開眾多科學(xué)家的不懈努力和關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破。

20 世紀 50 年代末，美國開始研究開發(fā)全新一代的電池 —— 鋰原電池，到 70 年代實現(xiàn)了軍用與民用。1962 年，來自美國軍方的 Chilton Jr 和 Cook 提出 “鋰廢水電解質(zhì)體系” 的設(shè)想，鋰電池的雛形由此誕生。1970 年，日本松下電器公司與美國軍方幾乎同時獨立合成出新型正極材料 —— 碳氟化物。1973 年，氟化碳鋰原電池在松下電器實現(xiàn)量產(chǎn)。1975 年，日本三洋公司在過渡金屬氧化物電極材料取得突破，開發(fā)出 Li/MnO?。1976 年，鋰碘原電池出現(xiàn)。1978 年，鋰二氧化錳電池實現(xiàn)量產(chǎn)，三洋第一代鋰電池進入市場，鋰二次電池進入量產(chǎn)時代。

然而，早期鋰離子電池發(fā)展緩慢，因為在充放電過程中，作為負極的金屬鋰容易產(chǎn)生枝晶造成電池短路，引起爆炸等安全性問題。1980 年，Armand 等提出以可嵌入式材料替代金屬鋰作為電池負極材料，避免了鋰金屬作為電池負極形成鋰枝晶所引發(fā)的安全問題。同年，Goodenough 教授報道了層狀結(jié)構(gòu)材料 LiCoO?。隨后，SONY 公司最早開發(fā)了商業(yè)化的鋰離子電池，使用 LiCoO?作為正極材料和碳作為負極材料，極大地推動了鋰離子電池商業(yè)化的進程。

1983 年，Peled 等人提出 “固態(tài)電解質(zhì)界面膜”（SEI）模型，這一發(fā)現(xiàn)對鋰二次電池的開發(fā)非常關(guān)鍵。80 年代末期，加拿大 Moli 能源公司研發(fā)的 Li/Mo?鋰金屬二次電池推向市場，但 1989 年因起火事故，大部分企業(yè)退出金屬鋰二次電池的開發(fā)，鋰金屬二次電池研發(fā)基本停頓。直到 1990 年 Nagaura 等以 “Li-ion” 命名產(chǎn)品，1991 年，日本索尼公司推出第一塊集實用性和安全性于一身的商業(yè)化鋰離子電池，標志著鋰電池進入了快速發(fā)展階段。

此后，鋰電池的技術(shù)不斷進步。1993 年 Bitthn 等提出了 “搖擺點擊體系”，1994 年 Sawai 等提出了 “穿梭往返”，將 RCB 概念技術(shù)應(yīng)用到高潮，使鋰離子電池被廣泛應(yīng)用到數(shù)碼相機，蓄電設(shè)備中。1994 年 Bellcore 公司 Tarascon 小組率先提出使用具有離子導(dǎo)電性的聚合物作為電解質(zhì)制造聚合物鋰二次電池。1996 年，Tarascon 等人報道了 Bellcore/Telcordia 商品化 GPE 電池性能與制備工藝。1997 年，Goodenough 教授又報道了磷酸鐵鋰材料，其特性可以滿足動力鋰離子電池的要求，在容量、循環(huán)性能和安全性方面都明顯提高。1999 年，鋰離子聚合物電池正式投入商業(yè)化生產(chǎn)。

進入 21 世紀，鋰電池的發(fā)展進入新階段。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)姚宏斌課題組、李震宇課題組與浙江工業(yè)大學(xué)陶新永課題組合作，設(shè)計開發(fā)出一種鑭系金屬鹵化物基固態(tài)電解質(zhì)新家族，可實現(xiàn)無任何電極修飾且室溫可運行的全固態(tài)鋰金屬電池。大龍產(chǎn)業(yè)基地在 “鋰離子電池三元正極材料前驅(qū)體綠色制造關(guān)鍵技術(shù)” 方面取得創(chuàng)新突破，建成年產(chǎn)超 10 萬噸的三元前驅(qū)體生產(chǎn)線。機械總院北京機械工業(yè)自動化研究所 “單向拉伸薄膜生產(chǎn)線” 一次試車成功，成為當(dāng)前國內(nèi)唯一一家干法鋰電池隔膜裝備、工藝和技術(shù)服務(wù)商。

回顧鋰電池的發(fā)展歷程，眾多科學(xué)家的貢獻和關(guān)鍵技術(shù)的突破推動了鋰電池的不斷進步，使其在各個領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。未來，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，鋰電池有望在性能、安全性等方面取得更大的突破，為人類的生活和社會的發(fā)展帶來更多的便利和貢獻。

四、鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域

消費類：如消費電子、電動工具等，說明鈷酸鋰在消費類產(chǎn)品中的應(yīng)用優(yōu)勢。

在消費類領(lǐng)域，鈷酸鋰作為電池原料具有諸多優(yōu)勢。安全性相對較高，一般情況下，聚合物電芯最多是鼓包、破裂和燃燒，沒有爆炸出現(xiàn)的直接破壞性強。容量較大，克容量達 100/115mAh/g。形狀靈活可變，能夠制造出扁平化的電芯或根據(jù)不同客戶需求定制不同形狀的電芯。充電速度快，放電電流相對平穩(wěn)。重量較輕，無需硬殼保護。然而，鈷酸鋰也存在一些缺點，成本高，主要集中在難以降低的電解液上，制約了其發(fā)展。沒有固定型號，導(dǎo)致無法統(tǒng)一更換，失去市場持續(xù)性。山寨嚴重，市面上有很多以 18650 電芯扁平化后山寨成聚合物電芯的情況。能量密度較低，使得生產(chǎn)商為增加容量而拼命壓縮安全保護。

目前消費類電池主要應(yīng)用于手機、筆記本電腦、智能可穿戴設(shè)備、電動工具等領(lǐng)域。以鋁塑膜為殼體的鋰電池在能量密度、電池外形的靈活性等方面具有優(yōu)勢，因此消費類鋰電池多采用聚合物軟包的封裝形式。自 1991 年日本索尼公司發(fā)布全球第一款商用化鋰電池以來，消費電池歷經(jīng) 30 多年的發(fā)展，產(chǎn)品技術(shù)趨于成熟。消費類鋰電池市場集中度較高，2022 年全球手機鋰電池 CR5 累計市占率超 75%。新興消費電子領(lǐng)域及 AI 技術(shù)推動筆電和手機換機潮，為消費電池創(chuàng)造巨大潛在需求。3C 消費電池主要采用鈷酸鋰 + 軟包的解決方案，鈷酸鋰因其容量較高、壓實密度大、循環(huán)性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，成為消費電池主流解決方案。另外，消費鋰電池生產(chǎn)工藝中的疊片電池在能量密度、快充、續(xù)航等方面具有突出優(yōu)勢，有望成為消費鋰電池的主流選擇。2024 年多家消費電池企業(yè)遠赴馬來西亞、越南等地投資建廠，完善全球化布局。

動力類：介紹磷酸鐵鋰和三元材料在電動汽車等動力領(lǐng)域的應(yīng)用情況。

在動力類領(lǐng)域，磷酸鐵鋰和三元材料各有特點。磷酸鐵鋰具有壽命長、安全性好、成本低等優(yōu)點，主要應(yīng)用于商用車。其具有穩(wěn)定的橄欖石結(jié)構(gòu)，在充放電過程中結(jié)構(gòu)變化較小，安全性高。同時，原材料來源廣泛，價格相對較低。

三元材料包括鎳鈷錳酸鋰（NCM）和鎳鈷鋁酸鋰（NCA）等，能量密度高、循環(huán)性能好、壽命較長，主要應(yīng)用于乘用車。三元材料通過不同比例的鎳、鈷、錳（或鋁）組合，可以調(diào)節(jié)材料的性能。高鎳三元材料正在進一步從 8 系向超高鎳 9 系發(fā)展，大幅抬升了三元材料的進入門檻。

電車買三元鋰還是磷酸鐵鋰一直是消費者關(guān)注的問題。磷酸鐵鋰電池看似有一些不足，如質(zhì)量不是很好、容易虧電、續(xù)航里程較短、維護難度大等。但它價格便宜，安全系數(shù)高，更容易回收，對溫度的適應(yīng)性更高。三元鋰電池能量密度高，充電循環(huán)次數(shù)多，充電效率高，受溫度影響小，但成本高，對熱管理的要求更高。在實驗室測試環(huán)境下，短路的磷酸鐵鋰電芯基本不會發(fā)生起火的情況，而三元鋰電池則更容易起火。大眾新能源 ID3 搭載三元鋰電池電動車，也是兩廂后驅(qū)車型。目前新能源汽車有兩條主流的電池技術(shù)路線，磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池在新能源汽車領(lǐng)域展開競爭，各有優(yōu)勢。

磷酸鐵鋰安全性高，穩(wěn)定性好，耐高溫性強，即使在猛烈撞擊、針刺和短路的情況下，也不會釋出氧分子，不會產(chǎn)生劇烈燃燒。三元鋰電池能量密度更高，帶來空間性和續(xù)航能力的提升，但內(nèi)部達到 250 - 300 攝氏度就會發(fā)生分解，容易發(fā)生爆燃情況，在熱管理上需要達到較高的要求。隨著技術(shù)的發(fā)展，磷酸鐵鋰電池的 “刀片電池” 技術(shù)極大提升了電池安全性和壽命，體積也縮小了 50%。國產(chǎn)特斯拉 Model 3 標準續(xù)航版配備的 “無鈷電池”，即不含鈷的磷酸鐵鋰電池，續(xù)航增加了 23 公里。

儲能類：闡述國內(nèi)外在儲能領(lǐng)域?qū)︿囯姵夭牧系倪x擇和發(fā)展趨勢。

在儲能類中，國外主要采用三元材料，國內(nèi)主要采用磷酸鐵鋰，尤其是梯次利用的磷酸鐵鋰。隨著國產(chǎn)磷酸鐵鋰 LFP 電池技術(shù)成熟、成本下降、安全性被驗證，國產(chǎn)磷酸鐵鋰 LFP 逐漸滲透到全球儲能市場。

從儲能市場的細分技術(shù)路徑來看，磷酸鐵鋰電池憑借其高安全性、低成本、使用壽命長等特點成為了儲能領(lǐng)域主要應(yīng)用的鋰電池產(chǎn)品，具有顯著優(yōu)勢。據(jù)公開信息顯示，磷酸鐵鋰電池占儲能鋰電池的比例已超過 90%，預(yù)計未來磷酸鐵鋰材料仍將是儲能領(lǐng)域的主要應(yīng)用材料。此外，目前日韓儲能鋰離子電池正極材料體系主要采用多元材料，后續(xù)隨著三元材料技術(shù)的快速進步，電池產(chǎn)品的成本下降，三元鋰電池在儲能市場尤其是高效儲能領(lǐng)域的滲透率預(yù)計也將進一步提高。總體來看，磷酸鐵鋰及三元材料在儲能市場滲透率預(yù)計將繼續(xù)提升。

從全球視角來看，目前 5G 發(fā)展迅速，基站位于 5G 運行的最基本環(huán)節(jié)，儲能電池在此環(huán)節(jié)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。磷酸鐵鋰電池以其高安全性、低成本、使用壽命長等特點成為儲能領(lǐng)域主要應(yīng)用的鋰電池產(chǎn)品。未來隨著三元材料技術(shù)的進步和成本的下降，三元鋰電池在儲能市場的滲透率也將提高。

五、結(jié)論

鋰電池作為現(xiàn)代科技中不可或缺的能源存儲設(shè)備，其組成材料的獨特性決定了它在不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和重要地位。

從組成材料來看，鋰電池的正極材料包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等，不同的正極材料具有各自的特點和應(yīng)用場景，滿足了從消費電子到電動汽車等不同領(lǐng)域的需求。負極材料分為碳材料和非碳材料兩大類，各類負極材料在性能上各有優(yōu)劣，為鋰電池的性能優(yōu)化提供了多種選擇。隔膜以聚乙烯、聚丙烯為主的聚烯烴類隔膜，在保證電池安全和性能方面起著關(guān)鍵作用。電解液由高純度有機溶劑、電解質(zhì)鋰鹽和添加劑組成，為鋰離子的傳輸提供了通道，確保了電池的正常充放電。

在不同領(lǐng)域中，鋰電池都發(fā)揮著重要作用。在消費類領(lǐng)域，鈷酸鋰在消費電子、電動工具等產(chǎn)品中具有安全性相對較高、容量較大、形狀靈活可變等優(yōu)勢，雖然存在成本高、沒有固定型號、山寨嚴重等缺點，但隨著技術(shù)的發(fā)展，消費類鋰電池市場仍具有巨大的潛在需求。在動力類領(lǐng)域，磷酸鐵鋰和三元材料各有特點，磷酸鐵鋰主要應(yīng)用于商用車，具有壽命長、安全性好、成本低等優(yōu)點；三元材料主要應(yīng)用于乘用車，能量密度高、循環(huán)性能好、壽命較長。在儲能類領(lǐng)域，國內(nèi)外對鋰電池材料的選擇有所不同，國外主要采用三元材料，國內(nèi)主要采用磷酸鐵鋰，尤其是梯次利用的磷酸鐵鋰。隨著技術(shù)的發(fā)展，磷酸鐵鋰及三元材料在儲能市場滲透率預(yù)計將繼續(xù)提升。

展望未來，鋰電池的發(fā)展前景十分廣闊。隨著新材料的研發(fā)，如固態(tài)電池的出現(xiàn)，有望提高鋰電池的安全性和能量密度?；厥占夹g(shù)的進步將增強鋰電池的可持續(xù)性。更高的能量密度將進一步推動電動車和便攜式電子設(shè)備的發(fā)展。智能化管理也將提升鋰電池的使用效率和安全性?？傊?，鋰電池將在未來繼續(xù)為人類的生活和社會的發(fā)展做出更大的貢獻。

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時間 2024/12/06

審核編輯 黃宇