高电压锂离子电池主要材料及工艺进展现状详解
来源：宝鄂实业
2019-06-28 14:37
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随着用电设备对锂离子电池容量要求的不断提高，人们对锂离子电池能量密度提升的期望越来越高。特别是智能手机、平板电脑、笔记本电脑等各种便携设备，对体积小、待机时间长的锂离子电池提出了更高的要求。同样在其他用电设备，如：储能设备、电动工具、电动汽车等也在不断开发出质量更轻、体积更小、输出电压和功率密度更高的锂离子电池，所以发展高能量密度的锂离子电池是锂电池行业的重要研发方向。
一 高电压锂离子电池开发的背景
为了设计高能量密度的锂离子电池，除了对其空间利用率的不断优化，提高电池正负极材料的压实密度和克容量，使用高导电碳纳米和高分子粘接剂来提高正极和负极活性物质含量外，提升锂离子电池的工作电压也是增大电池能量密度的重要途径之一。
在锂离子电池的截止电压正由原来的4.2V逐步过渡到4.35V、4.4V、4.45V、4.5V和5V，其中5V镍锰锂离子电池具有高能量密度、高功率等优异特性，将是未来新能源汽车及储能领域发展的重要方向之一。随着电源研发技术的不断发展，将来更高电压、更高能量密度的锂离子电池将逐渐走出实验室，为消费者服务。
二 高电压锂离子电池应用现状
通常说的高电压锂离子电池是指单体充电截止电压高于4.2V的电池，如：在手机上使用的锂离子电池，截止电压由4.2V发展到4.3V、4.35V，再到4.4V（小米手机、华为手机等）。目前4.35V和4.4V的锂离子电池已在市场上成熟使用，4.45V和4.5V也开始受到市场青睐，逐步会发展成熟起来。
目前国内外手机和其他数码类电子产品电池的生产厂家都在朝着高电压锂离子电池这个方向前进。高电压及高能量密度的锂离子电池在高端手机及便携式电子设备上会有更大的市场空间。正极材料和电解液是提高锂离子电池高电压的关键性材料，其中改性高电压钴酸锂、高电压三元材料的使用将更加成熟和普遍。
高电压锂离子电池随着电压的提升，在使用过程中某些安全性能会降低，因此在动力汽车上还没有批量使用。目前动力汽车所用电池正极材料主要还是以三元材料、磷酸铁锂为主。为了提升能量密度满足需求，一般选择811NCM和NCA等高镍正极材料、高容量硅碳负极或提高电池空间的利用率等方式来提升其能量密度和续航能力
三 高电压锂离子电池主要材料及工艺进展现状
高电压锂离子电池的性能主要是由活性材料和电解液的结构和性质所决定的，其中正极材料是最关键的核心材料，电解液的匹配作用也十分重要。以下主要分析目前高电压正极材料的研究和应用现状。
1、高压钴酸锂材料的研究现状
目前研究和应用最广泛的高电压正极材料是钴酸锂，它具有二维层状。结构，α-NaFeO2型，更适合于锂离子的嵌入和脱出。钴酸锂的理论能量密度274mAh/g，其具有生产工艺简单且电化学性质稳定等优点，因此市场占有率较高。钴酸锂材料在实际应用中只有部分的锂离子能够可逆的进行嵌入和脱出，其实际能量密度大约为167mAh/g（工作电压为4.35V）。提升其工作电压可以显著提高其能量密度，例如将工作电压由4.2V提升至4.35V其能量密度可以增加16%左右。
但是在高电压下锂离子多次从材料中嵌入和脱出会使钴酸锂的结构从三方晶系到单斜晶系发生转变，此时钴酸锂材料不再具有嵌入和脱出锂离子的能力，同时正极材料的颗粒发生松动并从集流体上脱落，导致电池的内阻变大，电化学性能变差。
目前钴酸锂正极材料的改性，主要还是从掺杂和包覆2个方面对材料的晶体结构稳定性和界面稳定性进行提升。
目前钴酸锂高电压材料在高能量密度电池中已批量使用，如高端手机电池厂家对电池性能的要求越来越高，其中主要体现在对能量密度的更高要求，例如以碳作为负极的4.35V手机电池能量密度要求在660Wh/L左右，4.4V手机电池已达到740Wh/L左右，这就要求正极材料具有更高的压实密度、更高的空量发挥，以及在高压实和高电压下的材料结构具有更好的的稳定性。但钴酸锂电极材料存在钴资源匮乏且价格昂贵等缺点，此外钴离子具有一定的毒性，这些缺陷限制了其在动力电池中的广泛应用。
2、三元材料的研究现状
为了降低钴的用量及提高电池的安全性能，研究者开始致力于层状三元高电压材料（LiNixCoyMn1-x-yO2或LiNixCoyAl1-x-yO2）的研究。在该类三元材料中，镍（Ni）元素起到提供容量的作用，钴（Co）能够减少锂（Li）与Ni的混排，锰（Mn）或铝（Al）能提高层状材料的结构稳定性，从而提升电池的安全性能。该类电池主要用于一般常规数码电池，如：充电宝、商务备用电池等，视作钴酸锂的代用品，提高电池的价格竞争力，以镍钴锰比例为5∶2∶3为最常见。
在动力汽车方面有不少厂家在试用，其提高能量密度的方式，主要是提高单体锂离子电池的工作电压和增加三元材料中的镍含量，但目前行业还都在开发阶段，没有批量产品。这主要是目前动力电池首先要满足电池的高安全性、一致性、低成本和长寿命，容量的提高还不是首要问题。
三元材料的主要问题是随着镍含量的提高，材料的碱性变强，对电池制作工艺和环境的要求越来越高;同时材料的热稳定性降低，在循环过程中会释放氧气，导致材料的结构稳定性变差;在充电状态下，镍具有较强的氧化性，对电解液的匹配性也提出了更高的要求。所以三元电极材料在推广和使用上局限性较高。
、高电压电解液的研究现状
高电压锂离子电池虽然在提高电池的能量密度方面有较大贡献，但也存在诸多问题。随着能量密度提升，一般正负极的压实密度都比较大，电解液浸润性变差，保液量降低。低保液量会导致电池的循环和存储性能变差。近年来随着高电压正极材料的不断涌现和应用，常规碳酸酯和六氟磷酸锂体系，在4.5V以上电压电池中会发生分解，循环性能差，高温性能差等电池性能的下降，已不能完全满足高电压锂离子电池的要求。因此研究匹配这些高压正极材料的电解液体系具有十分重要的意义。
针对高压实密度带来的电解液浸润性差的问题，电解液设计方面不断在筛选氧化电位高且黏度小的溶剂，来达到高压实电池的性能要求。另外也在使用可以提高电解液浸润性的添加剂或氟代溶剂来改善，效果也比较明显。
通用Chevy Volt电动车的出厂设计就是强制将电池电量维持在20%至80%，而苹果笔电的内置电池可能也是运用了这一方法（包括其他一些笔电和电子产品），让电池的可充放电周期数增加。
不要将锂电池（尤其是笔记本锂电池）长期在设备使用外接电源的情况下工作。就算您的笔记本散热良好，长期百分之100的电量就等于对锂电池的谋杀。
1. 如果你长期用外接电源为笔记本电脑供电，或者电池电量已经超过80%，马上取下你笔记本的电池、平时充电不需将电池充满，充至80%左右即可；调整操作系统的电源选项，将电量警报调至20%以上，平时电池电量最低不要低于20%，在下降到20%以前即要进行充电；
2. 手机等小型电子设备，充好电了就应立刻断开电源线（包括充电功能的USB接口），一直接着会损害电池；要经常充电，记起来就充，但不必非得把电池充满；
3. 无论是对笔记本还是手机等，都一定不要让电池耗尽；
4. 如果要外出旅行，把电池充满吧，但请记得在条件允许的情况下随时为电器充电，为了电池寿命，一定不要等到电池放干。
每次跟朋友提到，公司是生产锂电池的。朋友第一反应都是“生产手机里的电池吗”？所以我每次都不得不巴拉巴拉跟朋友解释一遍。将我们公司的简介从头到尾老老实实给走一遍“深圳市美安时电子有限公司成立于2011年，是一家集锂离子电池模组，配套充电器和适配器自主研发、生产和销售为一体的国家高新技术企业。 产品广泛应用于军工设备、医疗设备、安防监控设备、金融设备、通信设备、仪器仪表、后备式电源、消费电子等领域”
其实随着新能源的不断开发，国民环保意识的不断加强，锂离子电池已经广泛应用于更高科技、更稀有的工业领域了。
像天上飞的-应用于无人机领域的聚合物锂电池产品，诸如农民伯伯的无人机驾驶喷洒农药飞机。最常见的参数10Ah、16Ah、21Ah，22.2V。
像地上跑的-应用于AGV小车领域的锂电池组产品，统称不需驾驶员的搬运车。常见的参数有40Ah、70Ah、140Ah，24V。
像我们最最不想去的医院，也有很多仪器用到锂电池组，例如用于心电监护仪、呼吸机、除颤仪、便携式B超等。
还有像贴身的发热衣、发热鞋等等，都有锂电池能源的应用。偷偷告诉你，我们全体销售人员穷尽对锂电池市场罗列了一遍，整整有125个呢。所以，可见而知，生活中锂电池产品已成了不可或缺的一份子。所以啊，大家伙可是很有必要留意下，你生活中有哪些仪器、设备、产品是用锂电池的，要不然每次要解释一遍也挺费劲，而且我也觉得大家伙有点low。哈哈，好了，又到结尾了，咱们青山不改、绿水长流，下次见。
