影响锂离子电池的因素主要有哪些？

影响锂离子的因素有很多，比如温度、快速充放电、材料的理论容量和能量密度。其中能量密度和理论容量是限制锂离子电池的两个主要方面。这里我们先来说一个重要的概念——能量密度（Energy Density）。能量密度，也称比能量，书面解释是指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小，通俗点说就是指单位体积或单位质量所包含的能量[5]。在电池行业，它通常用来比较单位重量的电池所储存的电量。比如现有商用电池中能量密度比较高的锂离子电池，其能量密度约500Wh/Kg，如前文所述，这样的能量密度不足以替代汽油（能量密度约13 000Wh/Kg）用来实现汽车的纯电动化。

 

没有比较就没有伤害，传统锂离子电池能量密度（0.05-0.1 kwh/Kg），只有车用汽油的能量密度（13 kwh/Kg,雪佛兰沃蓝达[6]）的1%不到！相对于传统能源如此低效的锂离子电池为什么又这么受到人们的青睐和认可呢？

 

这要从锂离子电池的结构讲起。细心的读者都注意到了，在图1中，正极和负极的画风好像不太一样。比如负极是一些框架而正极是一些片状蓝砖，不过这些不是重点，这只是作者想表示构成正负极的材料不同。但它们的共同点是绿豆般的锂离子都有序的排队。这是因为在锂离子通过电解液迁移到负极的过程中，会与一些早先到达的锂离子汇合。如果没有层状结构，这些先来后到的锂离子就会形成晶体结构，学术上叫做枝晶。这些晶体会迅速成长比并且联通正负极，使整个电池从内部短路。通俗的讲就像大家都要去停车，在入口处互不相让结果造成堵车大长队。而正负极的层状结构则起到了能够有序存放这些不同时间到来的锂离子的功能，好比停车位。因此有着有序层状结构的正负极对于可充电电池是不可或缺的（图2）。但正负极材料，以及电解液并不会在放点放电过程中给予能量。因此拖累了电池的整体能量密度。

 

 

影响锂离子电池的另外一个主要的因素是电极材料本身的容量，值得注意的是，正极是锂离子电池的重要组成部分，其性能在很大程度上决定了电池的最终性能，许多锂离子电池的重大技术进步都与正极材料的技术提升密切相关。已知的能够投入实际应用的正极材料包括层状结构的钴酸锂及钴镍锰锂化合物、尖晶石结构的锰酸锂、橄榄石结构的磷酸铁锂。

 

但是，随着全球电动汽车市场需求的日益增长，锂离子电池的发展受到了严重的阻碍，其发展瓶颈主要在于如何提升正极材料的充放电比容量，以满足高比能量、高充放电功率的要求。与现今商用的碳负极材料（实际比容量为330-360 mAh/g）相比，已投入使用的正极材料的实际比容量值仅为120至250 mAh/g之间，该数值依旧远远低于负极材料的容量；其相对较低的比容量/能量密度是目前正极材料的研究现状，正是制约着锂离子电池向前发展的首要因素。其次，正极材料的成本也是影响高容量锂离子电池开发的重要因素之一。一般地，制备正极材料需要大批量地使用稀有过渡金属元素（如钴、镍等）。一方面，钴、镍等金属资源在地球上的储量有限，不适合大规模地开采以及过度消费利用（与国家可持续发展战略背道而驰）；另一方面，使用稀有金属元素会抬升电池的制造成本，不利于未来高性能锂离子电池大规模普及化使用（例如，在储能电站等领域的实际应用）。此外，大量使用钴、镍、锰等重金属会对土壤、水源等环境产生较大的危害，并对人类及动植物的生命构成了严重威胁。