锂电池的研究相关论文

美国伊利诺伊大学(UniversityofIllinois；UI)的研究人员发现一种可将自愈技术应用在锂离子电池的方法，可望打造出可靠且更长效的电池。

研究人员开发出一种新的电池，电池的负电侧使用硅纳米颗粒复合材料，并以一种新颖的方式将复合材料结合在一起——这是含硅的电池固有的问题。

伊利诺伊大学材料科学与工程教授NancySottos以及航空工程教授ScottWhite带领研究团队进行这项研究，并在《先进能源材料》(AdvancedEnergyMaterials)期刊上发表相关研究报告。

美国伊利诺伊大学材料科学与工程教授NancySottos与航空工程教授ScottWhite带领研究团队，开发出可用于电池阳极的硅纳米颗粒复合材料，可望用于打造更可靠且长效的池（来源：UniversityofIllinois）

“对于自愈材料的研究来说，这项研究工作相当新，因为它能应用在储存能量的材料上，”White说，“这是一种完全不同类型的目标。除了恢复结构性能，还具有愈合储存能量的能力。”

为便携设备供电或电动车用的锂离子电池内部，带负电荷的电极或阳极通常是由石墨颗粒复合材料制造而成。这些电池的使用成效不错，但需要很长时间才能上电，而且随着时间的进展，充电持续时间就会变得无法和新电池时一样了。

Sottos说：“硅具有相当高的容量，而如此的高容量让你得以从电池中取得更多能源，不过，由于电池的周期及其自粉化作用，也会经历大量的膨胀过程。”

过去的研究发现，由纳米尺寸的硅颗粒制造成的电池阳极不太可能分解，而是存在其他问题。

White说：“电池持续地进行充放电，经过一次、二次、三次到最终容量损耗，这是因为硅颗粒开始脱离粘合剂。”

为了解决这个问题，研究团队藉由赋予其自行修复的能力，进一步完善了硅阳极。这种自愈现象是经由硅纳米颗粒和聚合物粘合剂之间连接的可逆化学键合而发生的。

“这种动态重新键合过程基本上是将硅颗粒和聚合物粘合剂保存在一起，大幅改善了电极的长期性能，”Sottos说。

研究人员针对未使用可逆化学键合的新电池进行测试，发现即使是经过400次充电周期后仍能保持80%的初始容量。

这些电池还具有更高的能量密度，这意味着它们比相同尺寸的石墨-阳极电池储存更多的电力。

“能量密度越高越好。另一个选择是增加更多的电池，但这也增加了许多重量，特别是电动车正面临这样的问题，”Sottos说。

研究人员表示，未来的研究将包括研究这种自愈技术如何与固态电池搭配运作。近来多起由于锂离子电池液体引发自燃甚至爆炸的意外，正敦促着科学家们朝此方向进行研究。

这项研究计划由美国能源部(DoE)科学、基础能源科学办公室资助的先进能源研究中心——电化学能源科学中心(CenterforElectrochemicalEnergyScience)赞助。

编译：SusanHong

本文授权编译自EETimes，版权所有，谢绝转载

生活中，我们接触到的手机电池一般都是锂电池，锂电池是由锂金属或锂合金为负极材料，使用非水电解质溶液的电池。随着科技的发展，锂电池可以主要分为锂金属电池和锂离子电池，那么这两者之间有什么区别呢？锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的，一般是使用锂合金金属作为正极材料，石墨作为负极，我们一般用的手机电池便是可充电放电的锂离子电池；而锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料，金属锂或锂合金金属作为负极材料，在其安全性、性价比、价格等方面要远远高于锂离子电池，并且由于制造锂金属电池的技术要求较高，现在世界上也仅仅有几个国家能生产锂金属电池。

随着科技的发展，手机、电脑在人们的生活中也起到了日益重要的作用，让人们根本停不下来，如果没有移动电源，手机几个小时就会提醒低电量了，而如何研发出一种电池在其使用寿命以及作用稳定的情况下也显得尤为重要了，而锂电池最先是启用于医疗的心脏起搏器中，后期在移动电话、笔记本、计算器等反面也应用广泛。而三星的note 7手机，在刚上市不久的时间里就一连串地发生爆炸事件是怎么回事呢？是因为电池的原因吗？锂电池为什么会发生爆炸呢？原因也会分为几种情况，如外界环境温度过高可能是导致爆炸的主要原因，另外，也可能由于电池内部的原因，如电池电解液本身的质量和性能问题、注液时注液量达不到工工艺的要求，或者在装配过程中激光焊接密封性能差侧漏时漏气等问题都可能会引起电池的爆炸。

但是在设计锂离子电池时，为了避免使用不当造成安全性降低，其本身内部也会设置有三重保护机构，首先，采用开关元件，当电池内部的温度升高时，阻值也会升高，温度过高的情况下会自动停止供电；其次，锂离子电池选择的隔板材料较好，当温度上升到一定值时，隔板上的微孔会自动溶解，阻止锂离子的通过，电池的内部反应停止；最后，锂离子电池顶部设置有放电孔，电池内压力过大时，安全阀会自动打开，用来保证电池使用的安全性。因此，在人们正确使用锂离子电池时，是相对比较安全的，但是，随着科技水平的提高，人们对锂离子电池的设计，以及使用材料等方面的不断升级，未来锂离子电池也会变得更加安全。

科学家研究发现，当人们从一块大晶圆上切下一小块的硅片的时候，往往会产生大量的碎屑，但是通常情况下，这些材料会被丢弃，浪费了一定的资源。据了解，外国科学家正进行一项研究，将这些碎屑收集起来，洗去杂质，比如说在切割过程中用到的一些冷却剂，将保留下来的硅屑制成大约15nm厚的粉末再裹上碳，可以做成锂离子电池的阳极。因为锂离子电池的阳极一般都是使用锂合金的金属氧化物，成本相对来说比较高，如果将硅屑大量回收，制作的规模进一步扩大，那么，锂离子电池阳极的成本也会变得比较廉价。但是，也会有人担心这种阳极材料做成的锂电池容量和安全性的问题，经科学家研究测试表明，这种锂电池的容量可以达到1200mAh/g，充电放电的过程也超过800次。相信在科学家的研究下，最终会为锂离子电池带来更高的稳定性和可靠性。

由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高，所以锂电池生产要在特殊的环境条件下进行。

但是由于锂电池的很多优点，锂电池被广泛的应用在电子仪表、数码和家电产品上。但是，锂电池多数是二次电池，也有一次性电池。

少数的二次电池的寿命和安全性比较差。 后来，日本发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。

当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。

同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出， 又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。

我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。

Li-ion Batteries就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。 所以Li-ion Batteries又叫摇椅式电池。

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锂电池

锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生。

由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。

随着二十世纪微电子技术的发展，小型化的设备日益增多，对电源提出了很高的要求。锂电池随之进入了大规模的实用阶段。

最早得以应用于心脏起搏器中。由于锂电池的自放电率极低，放电电压平缓。使得起搏器植入人体长期使用成为可能。

锂电池一般有高于伏的标称电压，更适合作集成电路电源。二氧化锰电池，就广泛用于计算机，计算器，照相机、手表中。

为了开发出性能更优异的品种，人们对各种材料进行了研究。从而制造出前所未有的产品。比如，锂二氧化硫电池和锂亚硫酰氯电池就非常有特点。它们的正极活性物质同时也是电解液的溶剂。这种结构只有在非水溶液的电化学体系才会出现。所以，锂电池的研究，也促进了非水体系电化学理论的发展。除了使用各种非水溶剂外，人们还进行了聚合物薄膜电池的研究。

1992年Sony成功开发锂离子电池。它的实用化，使人们的移动电话、笔记本电脑等便携式电子设备重量和体积大大减小。使用时间大大延长。由于锂离子电池中不含有重金属铬，与镍铬电池相比，大大减少了对环境的污染。

发展进程 1、1970年代埃克森的M。

S。Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。

2、1980年，J。 Goodenough 发现钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料。

3、1982年伊利诺伊理工大学（the Illinois Institute of Technology）的R。 R。

Agarwal和J。R。

Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。与此同时，采用金属锂制成的锂电池，其安全隐患备受关注，因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。

首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。 4、1983年M。

Thackeray、J。Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料，具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。

其分解温度高，且氧化性远低于钴酸锂，即使出现短路、过充电，也能够避免了燃烧、爆炸的危险。 。

在古代，人类有可能已经不断地在研究和测试“电”这种东西了。

一个被认为有数千年历史的粘土瓶在1932年于伊拉克的巴格达附近被发现。它有一根插在铜制圆筒里的铁条-可能是用来储存静电用的，然而瓶子的秘密可能永远无法被揭晓。

不管制造这个粘土瓶的祖先是否知道有关静电的事情，但可以确定的是古希腊人绝对知道。他们晓得如果摩擦一块琥珀，就能吸引轻的物体。

亚里斯多德（Aristotle）也知道有磁石这种东西，它是一种具有强大磁力能吸引铁和金属的矿石。 1780年，意大利解剖学家伽伐尼在做青蛙解剖时，两手分别拿着不同的金属器械，无意中同时碰在青蛙的大腿上，青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到电流的 *** ，而只用一种金属器械去触动青蛙，却并无此种反就。

伽伐尼认为，出现这种现象是因为动物躯体内部产生的一种电，他称之为“生物电”。伽伐尼于1791年将此实验结果写成论文，公布于学术界。

伽伐尼的发现引起了物理学家们极大兴趣，他们竞相重复枷伐尼的实验，企图找到一种产生电流的方法，意大利物理学家伏特在多次实验后认为：伽伐尼的“生物电”之说并不正确，青蛙的肌肉之所以能产生电流，大概是肌肉中某种液体在起作用。为了论证自己的观点，伏特把两种不同的金属片浸在各种溶液中进行试验。

结果发现，这两种金属片中，只要有一种与溶液发生了化学反应，金属片之间就能够产生电流。 1799年，伏特把一块锌板和一块银板浸在盐水里，发现连接两块金属的导线中有电流通过。

于是，他就把许多锌片与银片之间垫上浸透盐水的绒布或纸片，平叠起来。用手触摸两端时，会感到强烈的电流 *** 。

伏特用这种方法成功的制成了世界上第一个电池──“伏特电堆”。这个“伏特电堆”实际上就是串联的电池组。

它成为早期电学实验，电报机的电力来源。 意大利物理学家伏特就多次重复了伽伐尼的实验。

作为物理学家，他的注意点主要集中在那两根金属上，而不在青蛙的神经上。对于伽伐尼发现的蛙腿抽搐的现象，他想这可能与电有关，但是他认为青蛙的肌肉和神经中是不存在电的，他推想电的流动可能是由两种不同的金属相互接触产生的，与金属是否接触活动的或死的动物无关。

实验证明，只要在两种金属片中间隔以用盐水或碱水浸过的（甚至只要是湿和）硬纸、麻布、皮革或其它海绵状的东西（他认为这是使实验成功所必须的），并用金属线把两个金属片连接起来，不管有没有青蛙的肌肉，都会有电流通过。这就说明电并不是从蛙的组织中产生的，蛙腿的作用只不过相当于一个非常灵敏的验电器而已。

1836年，英国的丹尼尔对“伏特电堆”进行了改良。他使用稀硫酸作电解液，解决了电池极化问题，制造出第一个不极化，能保持平衡电流的锌─铜电池，又称“丹尼尔电池”。

此后，又陆续有去极化效果更好的“本生电池”和“格罗夫电池”等问世。但是，这些电池都存在电压随使用时间延长而下降的问题。

1860年，法国的普朗泰发明出用铅做电极的电池。这种电池的独特之处是，当电池使用一段使电压下降时，可以给它通以反向电流，使电池电压回升。

因为这种电池能充电，可以反复使用，所以称它为“蓄电池”。 然而，无论哪种电池都需在两个金属板之间灌装液体，因此搬运很不方便，特别是蓄电池所用液体是硫酸，在挪动时很危险。

也是在1860年，法国的雷克兰士（GeeLeclanche）还发明了世界广受使用的电池（碳锌电池）的前身。它的负极是锌和汞的合金棒（锌-伏特原型电池的负极，经证明是作为负极材料的最佳金属之一），而它的正极是以一个多孔的杯子盛装着碾碎的二氧化锰和碳的混合物。

在此混合物中插有一根碳棒作为电流收集器。负极棒和正极杯都被浸在作为电解液的氯化铵溶液中。

此系统被称为“湿电池”。雷克兰士制造的电池虽然简陋但却便宜，所以一直到1880年才被改进的“干电池”取代。

负极被改进成锌罐（即电池的外壳），电解液变为糊状而非液体，基本上这就是现在我们所熟知的碳锌电池。 1887年，英国人赫勒森发明了最早的干电池。

干电池的电解液为糊状，不会溢漏，便于携带，因此获得了广泛应用。 1890年Thomas Edison 发明可充电的铁镍电池 1896年在美国批量生产干电池 1896年发明D型电池. 1899年Waldmar Jungner 发明镍镉电池. 1910年可充电的铁镍电池商业化生产 1911年我国建厂生产干电池和铅酸蓄电池（上海交通部电池厂） 1914年Thomas Edison 发明碱性电池. 1934年Schlecht and Akermann 发明镍镉电池烧结极板. 1947年Neumann 开发出密封镍镉电池. 1949年Lew Urry (Energizer) 开发出小型碱性电池. 1954年Gerald Pearson, Calvin Fuller and Daryl Chapin 开发出太阳能电池. 1956年Energizer.制造第一个9伏电池 1956年我国建设第一个镍镉电池工厂（风云器材厂（755厂）） 1960前后Union Carbide.商业化生产碱性电池，我国开始研究碱性电池（西安庆华厂等三 家合作研发） 1970前后出现免维护铅酸电池. 1970前后一次锂电池实用化. 1976年Philips Research的科学家发明镍氢电池. 1980前后开发出稳定的用于镍氢电池的合金. 1983年我国开。

锂离子电池 正极材料：可选的正极材料很多，目前主品多采用锂铁盐。

不同的正极材料对照： 发展进程 1 1970年代埃克森的M。S。

Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。 2。

1980年，J。 Goodenough 发现钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料。

3 1982年伊利诺伊理工大学（the Illinois Institute of Technology）的R。R。

Agarwal和J。R。

Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。 与此同时，采用金属锂制成的锂电池，其安全隐患备受关注，因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。

首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。 4 1983年M。

Thackeray、J。Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料，具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。

其分解温度高，且氧化性远低于钴酸锂，即使出现短路、过充电，也能够避免了燃烧、爆炸的危险。 。

电池的诞生，基于人们对于获取持续而稳定的电流的需要。

不过，电池的发明，是来源于一次青蛙的解剖实验所产生的灵感，多少有些偶然。 1780年的一天，意大利解剖学家伽伐尼（Luigi Galvani）在做青蛙解剖时，两手分别拿着不同的金属器械，无意中同时碰在青蛙的大腿上，青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到电流的 *** ，而如果只用一种金属器械去触动青蛙，就无此种反应。

伽伐尼认为，出现这种现像是因为动物躯体内部产生的一种电，他称之为“生物电”。 伽伐尼的发现引起了物理学家们的极大兴趣，他们竞相重复伽伐尼的实验，企图找到一种产生电流的方法。

而意大利物理学家伏特（Alessandro Volta）在多次实验后则认为：青蛙的肌肉之所以能产生电流，大概是肌肉中某种液体在起作用。为了论证自己的观点，伏特把两种不同的金属片浸在各种溶液中进行试验。

结果发现，这两种金属片中，只要有一种与溶液发生了化学反应，金属片之间就能够产生电流。1799年，伏特成功制成了世界上第一个电池“伏特电堆”。

这个“伏特电堆”实际上就是串联的电池组。 1836年，英国的丹尼尔对“伏特电堆”进行了改良，又陆续有效果更好的“本生电池”和“格罗夫电池”等问世。

然而在当时，无论哪种电池都需在两个金属板之间灌装液体，搬运很不方便，特别是蓄电池所用液体是硫酸，在挪动时很危险。干电池的诞生 干电池的鼻祖在19世纪中期诞生。

1860年，法国的雷克兰士（Gee Leclanche）发明了碳锌电池，这种电池更容易制造，且最初潮湿水性的电解液，逐渐被黏浊状类似糨糊的方式取代，于是装在容器内时，“干”性的电池出现了。 1887年，英国人赫勒森（Wilhelm Hellesen）发明了最早的干电池。

相对于液体电池而言，干电池的电解液为糊状，不会溢漏，便于携带，因此获得了广泛应用。 如今，干电池已经发展成为一个庞大的家族，种类达100多种。

常见的有普通锌-锰干电池、碱性锌-锰干电池、镁-锰干电池等。不过，最早发明的碳锌电池依然是现代干电池中产量最大的电池。

在干电池技术的不断发展过程中，新的问题又出现了。人们发现，干电池尽管使用方便、价格低廉，但用完即废，无法重新利用。

另外，由于以金属为原料容易造成原材料浪费，废弃电池还会造成环境污染。于是，能够经过多次充电放电循环，反复使用的蓄电池成为新的方向。

事实上，蓄电池的最早发明同样可以追溯到1860年。当年，法国人普朗泰（Gaston Plante）发明出用铅做电极的电池。

这种电池的独特之处是，当电池使用一段时间电压下降时，可以给它通以反向电流，使电池电压回升。因为这种电池能充电，并可反复使用，所以称它为“蓄电池”。

1890年，爱迪生发明可充电的铁镍电池，1910年可充电的铁镍电池商业化生产。如今，充电电池的种类越来越丰富，形式也越来越多样，从最早的铅蓄电池，铅晶蓄电池，到铁镍蓄电池以及银锌蓄电池，发展到铅酸蓄电池、太阳能电池以及锂电池等等。

与此同时，蓄电池的应用领域越来越广，电容越来越大，性能越来越稳定，充电越来越便捷。锂电池的产生 在电池这个领域，锂离子电池和燃料电池成为最令人瞩目的明星。

从上面的故事可以看出，整个电池的发展史也可以说是一个“试试各种金属能不能造电池”的历史。现在电池界最红的金属是“锂”。

锂是所有金属里最轻的，比水还轻，而且特别活泼，需要保存在石蜡里。实际上，当初爱迪生就曾经发明过锂电池，但是由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高，所以锂电池长期没有得到应用。

现在，人们对电池“求贤若渴”，这些问题也就不是问题了。恰好锂电池具有能量重量比高、电压高、自放电小、可长时间存放等优点，所以它在近30年中取得了巨大发展。

我们用的计算机、计算器、照相机、手表中的电池都是锂电池。 锂电池组装完成后电池即有电压，不需充电。

这种电池也可以充电，但循环性能不好，在充放电循环过程中，容易形成锂枝晶，造成电池内部短路，所以一般情况下这种电池是禁止充电的。后来，索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物做正极，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。

锂离子电池的优势十分明显：工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长。锂离子电池通过锂离子在正负极之间跑来跑去来充电和放电。

这个领域最牛的技术是“层迭电池结构”，也就是把好多个电池做成很薄的层然后迭在一起，这样可以用很小的体积达到很高的效率。所以，锂离子电池被广泛应用于汽车、笔记本、手机等行业。

后来河南鸿宾电池公司对锂电池进行研发，引入了冷注塑工艺技术，产生了冷注塑电电池---鸿宾电池，也就出现了高容量商务锂离子电池。现在高容量商务电池已进入人们的视线，被更多的人所关注。

燃料电池的发展 除了锂离子电池，还有一种电池很有前途，就是“燃料电池”，它是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生。

1、1970年代埃克森的采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。

2、1980年，J. Goodenough 发现钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料。

3、1982年伊利诺伊理工大学（the Illinois Institute of Technology）的和发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。与此同时，采用金属锂制成的锂电池，其安全隐患备受关注，因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。

4、1983年、等人发现锰尖晶石是优良的正极材料，具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高，且氧化性远低于钴酸锂，即使出现短路、过充电，也能够避免了燃烧、爆炸的危险。

5、1989年，和发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。

6、1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。

7、1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸锂铁（LiFePO4），比传统的正极材料更具优越性，因此已成为当前主流的正极材料。

随着数码产品如手机、笔记本电脑等产品的广泛使用，锂离子电池以优异的性能在这类产品中得到广泛应用，并在逐步向其他产品应用领域发展。1998年，天津电源研究所开始商业化生产锂离子电池。习惯上，人们把锂离子电池也称为锂电池，但这两种电池是不一样的。锂离子电池已经成为了主流。

锂离子电池在手机等领域得到广泛应用，其正极材料主要使用的是钴酸锂（LiCoO2），负极材料则为石墨，但是由于钴是稀有金属，所以价格比较昂贵。

东京大学工学系教授水野哲孝率领的研究小组发现，在氧化锂和过氧化锂之间存在着交换氧的电子的氧化还原反应，如果正极反应利用氧化锂与过氧化锂之间的氧化还原反应，而负极反应使用金属锂的氧化还原反应，在同等重量的两电极活性材料（electrode active material）下，理论上新型电池的充电量将是锂离子电池的约7倍。由于不含有钴，所以新型电池能够实现轻量化并且降低成本。

不过在现阶段的实验室模式下，新型电池的充电量还只达到锂离子电池的约两倍左右。今后，研究小组准备与企业继续共同开发，弄清电极中过氧化物的状态以及钴的作用，进一步改良电极活性材料，从而达到理论容量，在2030年左右达到实用化。