閆金定

中華人民共和國(guó)科學(xué)技術(shù)部 基礎(chǔ)研究管理中心，北京 100862

伴隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程和化石燃料的大量使用，環(huán)境污染和能源短缺的問(wèn)題日漸突出。為了減少化石燃料使用過(guò)程的污染，發(fā)展風(fēng)、光、電可持續(xù)再生能源及新型動(dòng)力電池和高效儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可再生能源的合理配置及電力調(diào)節(jié)，對(duì)于提高資源利用效率、解決能源危機(jī)和保護(hù)環(huán)境都具有重要戰(zhàn)略意義。

鋰離子電池（LIB）具有比能量高、低自放電、循環(huán)性能好、無(wú)記憶效應(yīng)和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是目前最具發(fā)展前景的高效二次電池和發(fā)展最快的化學(xué)儲(chǔ)能電源。近年來(lái)，鋰離子電池在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸加強(qiáng)，火星著陸器、無(wú)人機(jī)、地球軌道飛行器、民航客機(jī)等航空航天器中，鋰離子電池的身影隨處可見(jiàn)。隨著節(jié)能環(huán)保、信息技術(shù)、新能源汽車(chē)及航空航天等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，科研工作者們亟需在材料創(chuàng)新的基礎(chǔ)上研發(fā)具有更高能量密度、更高安全性的高效鋰二次電池。

1 鋰離子電池基本原理及特點(diǎn)

鋰離子電池由正極、負(fù)極、隔膜和電解液構(gòu)成，其正、負(fù)極材料均能夠嵌脫鋰離子。它采用一種類(lèi)似搖椅式的工作原理，充放電過(guò)程中Li+在正負(fù)極間來(lái)回穿梭，從一邊“搖”到另一邊，往復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)電池的充放電過(guò)程。以石墨作為負(fù)極、LiCoO2為正極的電池為例［1］，其充放電化學(xué)反應(yīng)式為

正極反應(yīng)：

電池反應(yīng)：

鋰離子電池的主要特點(diǎn)表現(xiàn)為：①比能量高，鋰離子電池的質(zhì)量比能量和體積比能量分別達(dá)到120～200 W·h/kg和300 W·h/L以上，在目前的蓄電池中是最高的；②放電電壓高，放電電壓平臺(tái)一般在3.2～4.2 V以上 （鈦酸鋰電池除外）；③自放電低，在正常存放情況下，鋰離子電池的月自放電率通常僅為5%左右；④循環(huán)壽命長(zhǎng)，無(wú)記憶效應(yīng)，普通鋰二次電池在100% 的放電深度（Depth of Discharge，DOD）下，充放電可達(dá)500次以上，磷酸鐵鋰電池和以鈦酸鋰為負(fù)極的電池循環(huán)壽命分別超過(guò)2 000次和5 000次；⑤充放電效率高，電池循環(huán)充放電過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到90%以上；⑥工作溫度范圍寬，一般工作范圍為-20～45℃，鈦酸鋰負(fù)極電池甚至可在-40℃下工作。

2 國(guó)內(nèi)外鋰離子電池關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

近二十多年來(lái)，研發(fā)能量密度更高、功率密度更高、循環(huán)壽命更長(zhǎng)和安全性更高的高效鋰離子電池，一直是世界高性能二次電池科學(xué)技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。制約高性能鋰離子電池性能提高的最主要因素是缺乏系統(tǒng)化的鋰離子電池電化學(xué)理論、新的鋰離子電池體系以及高性能儲(chǔ)鋰材料，鋰離子電池的核心和關(guān)鍵是新型儲(chǔ)鋰材料和電解質(zhì)材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。

2.1 鋰離子電池電極材料

1）正極材料

鋰離子電池的正極材料被做鋰離子電池的核心，歷來(lái)是科學(xué)家們研究的重點(diǎn)。在電池充放電的過(guò)程中，正極材料不但要作為鋰源，提供在電池內(nèi)部正負(fù)兩極嵌鋰材料間往復(fù)嵌脫所需要的鋰，還要負(fù)擔(dān)電池負(fù)極材料表面形成固液界面膜（SEI膜）所消耗的鋰。因此，理想的正極材料需具備以下特點(diǎn)：電位高、比容量高、密度大（包含壓實(shí)密度和振實(shí)密度）、安全性好、倍率性能佳和長(zhǎng)壽命等。

目前，能滿(mǎn)足以上要求的材料根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要分為3種，即層狀結(jié)構(gòu)材料Li MO2（M=Co、Ni、Mn）；具有尖晶石結(jié)構(gòu)的錳酸鋰材料（Li Mn2O4）；具有橄欖石結(jié)構(gòu)的 Li MPO4（M=Fe、Mn、Co、Ni）。近年來(lái)，一些新型結(jié)構(gòu)的材料也受到了越來(lái)越多的關(guān)注，如硅酸鹽、硼酸鹽以及橄欖石結(jié)構(gòu)的派生物---Tavorite化合物［2-4］。

層狀結(jié)構(gòu)正極材料：目前，在商業(yè)化的鋰離子電池正極材料中，LiCoO2一直居于主體地位。LiCoO2具有α-NaFeO2型二維層狀結(jié)構(gòu)，非常適合鋰離子的嵌脫，具有電壓高、放電平穩(wěn)、比能量高、循環(huán)性能好、制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能夠適應(yīng)大電流充放電。其理論容量為274 m A·h/g，為了使其保持良好的循環(huán)穩(wěn)定性，實(shí)際容量控制為140 m A·h/g［5-6］。但是，LiCoO2材料作為正極，存在著電池容量衰減較大、抗過(guò)充性差、熱穩(wěn)定性差等問(wèn)題，為了克服LiCoO2材料這些缺陷，常采用摻雜改性、包覆等方式提高其穩(wěn)定性。

層狀LiMnO2的理論容量較高，為285 m A·h/g，具有能量密度高、無(wú)毒及低成本等優(yōu)點(diǎn)。但是，在充放電過(guò)程中，由于Jahn-Teller效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致材料粉化，可逆容量迅速衰減。為了制備穩(wěn)定層狀結(jié)構(gòu)的LiM-n O2，可以在Mn-O層上引入其他過(guò)渡金屬元素，與Mn形成復(fù)合金屬氧化物，增強(qiáng)材料層狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。有文獻(xiàn)報(bào)道，向?qū)訝頛i Mn O2中摻入Al、Cr、Co、Ni等可以穩(wěn)定材料層狀結(jié)構(gòu)的元素，能夠顯著改善其電化學(xué)性能［7-10］。

尖晶石結(jié)構(gòu)正極材料：尖晶石LiMn2O4具有耐過(guò)充性能好、熱穩(wěn)定性高、資源豐富、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有前途的鋰離子電池正極材料。但其存在著高溫循環(huán)性能差的缺陷，因此，對(duì)尖晶石LiMn2O4的改性研究一直是該類(lèi)材料的研究熱點(diǎn)。

以Mn3O4作為合成前驅(qū)體，在800℃下反應(yīng)，可得到電化學(xué)性能優(yōu)越的純相尖晶石LiMn2O4微米球［11］；有研究發(fā)現(xiàn)，與純LiMn2O4相比較，表面包覆有YPO4的Li Mn2O4表現(xiàn)出了更好的循環(huán)性能，這是因?yàn)閅PO4隔絕了正極活性材料與電解液直接接觸，阻止了Mn3+的溶解，還抑制了電池阻抗增長(zhǎng)，因而進(jìn)一步提高了電極的熱穩(wěn)定性［12］。

橄欖石結(jié)構(gòu)正極材料：LiFePO4具有循環(huán)穩(wěn)定性好、高安全性和綠色友好等優(yōu)點(diǎn)，一直是動(dòng)力鋰離子電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。LiFePO4具有規(guī)整的橄欖石結(jié)構(gòu)，屬正交晶系，Pmnb空間群，晶胞參數(shù) 為 a=0.469 nm，b=1.033 nm，c=0.601 nm。目前，可采用固相法、共沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱/溶劑熱法、微波法和碳熱還原法等多種方法合成LiFePO4。由于LiFePO4的電子電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率均較低，材料的整體電化學(xué)性能較差，在實(shí)際應(yīng)用中嚴(yán)重受限。目前可通過(guò)包覆、摻雜或?qū)⒉牧霞{米化來(lái)加以改善。Fan等［13］通過(guò)碳熱還原法制備了LiFePO4/C（LFPC）和 LiFe1-2xTixPO4/C （LFTPC），碳包覆和Ti摻雜的LFTPC電導(dǎo)率可達(dá)～10-4S/cm；用不同比率的TiO2摻雜LiFePO4（LFP），得到LFTPC的晶體結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，與LFP相比具有更小的粒徑；在不同Ti摻雜率的LFTPC中，摻雜率為2%的LFTPC具有最好的倍率性能和循環(huán)性能。

圖1顯示了鋰離子電池正極材料的理論能量密度及當(dāng)前研究中所具有的能量密度。可以看出，與層狀結(jié)構(gòu)和尖晶石結(jié)構(gòu)材料相比，橄欖石結(jié)構(gòu)材料及其派生物具有較低的能量密度，所以對(duì)于高能量密度的鋰離子電池正極材料而言，當(dāng)前的研究熱點(diǎn)傾向于層狀結(jié)構(gòu)和尖晶石結(jié)構(gòu)材料；但是因?yàn)榫哂懈甙踩缘耐怀鰞?yōu)點(diǎn)，橄欖石結(jié)構(gòu)材料一直是動(dòng)力電池的重要研究方向之一。

圖1 部分鋰離子電池正極材料的理論及實(shí)際能量密度Fig.1 Theoretical and practical energy density of several cathode materials for lithium-ion batteries

2）負(fù)極材料

理想的鋰離子電池負(fù)極材料應(yīng)該能夠容納大量的Li+，具有較高的離子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率，以及良好的穩(wěn)定性等?，F(xiàn)有的負(fù)極材料難以同時(shí)滿(mǎn)足上述要求，存在著首次充放電效率低、大電流充放電性能差等缺點(diǎn)。因此，研發(fā)電化學(xué)性能更好的新型負(fù)極材料，以及對(duì)已有材料進(jìn)行改性一直是鋰離子電池負(fù)極材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前研究的負(fù)極材料主要可分為以下3種［14］：嵌入型負(fù)極材料、合金化型負(fù)極材料和轉(zhuǎn)化型負(fù)極材料。

嵌入型負(fù)極材料：最典型的嵌入型負(fù)極材料是碳材料。根據(jù)材料石墨化程度的差別，碳材料通?？梢苑譃檐浱?、硬碳和石墨。常見(jiàn)的軟碳材料有石油焦、針狀焦、碳纖維及碳微球等；硬碳在2 500℃以上也難以石墨化。石墨放電容量為350 m A·h/g，具有層狀結(jié)構(gòu)，同一層的碳原子呈正六邊形排列，層與層之間靠范德華力結(jié)合。石墨層間可嵌入鋰離子形成鋰-石墨層間化合物（Li-GIC）。石墨類(lèi)材料導(dǎo)電性好，結(jié)晶度高，有穩(wěn)定的充放電平臺(tái)，是目前商業(yè)化程度最高的鋰離子電池負(fù)極材料。除了石墨，其他的碳類(lèi)材料的儲(chǔ)鋰機(jī)制也是如此。需要指出的是，硬碳材料具有比石墨更高的放電容量，這是因?yàn)?，除了具有與石墨相同的嵌入機(jī)制，硬碳結(jié)構(gòu)上還存在一些微孔或缺陷可供Li+儲(chǔ)存和嵌脫［15］。然而，由于循環(huán)效率偏低、電壓隨容量的變化大、缺少平穩(wěn)的放電平臺(tái)，硬碳作為負(fù)極材料，應(yīng)用一直受限制。

合金化型負(fù)極材料：合金化儲(chǔ)鋰材料是指能和鋰發(fā)生合金化反應(yīng)的金屬及其合金、中間相化合物及復(fù)合物。據(jù)報(bào)道，常溫下鋰能與許多金屬反應(yīng)（如Sn、Si、Zn、Al、Sb、Ge、Pb、Mg、Ca、As、Bi、Pt、Ag、Au、Cd、Hg等）［16］，其充放電的機(jī)理本質(zhì)為合金化及逆合金化的反應(yīng)。通常來(lái)說(shuō)，合金化型負(fù)極材料的理論比容量及電荷密度均遠(yuǎn)高于嵌入型負(fù)極材料。同時(shí)，這類(lèi)材料的嵌鋰電位較高，在大電流充放電的情況下也很難發(fā)生鋰的沉積，不會(huì)產(chǎn)生鋰枝晶導(dǎo)致電池短路，對(duì)高功率器件有很重要的意義。

轉(zhuǎn)化型負(fù)極材料：目前已報(bào)道的轉(zhuǎn)化類(lèi)負(fù)極材料有數(shù)十種之多，主要指過(guò)渡金屬元素如Co、Ni、Mn、Fe、V、Ti、Mo、W、Cr、Cu、Ru的氧化物、硫化物、氮化物、磷化物及氟化物［17-23］。以前這類(lèi)材料并不被看好，這類(lèi)材料的空間結(jié)構(gòu)中沒(méi)有供鋰離子嵌入和脫出的位置，不符合傳統(tǒng)的鋰離子嵌脫機(jī)制，且在室溫下與鋰的反應(yīng)曾被認(rèn)為是不可逆的。直至幾種過(guò)渡金屬氧化物被發(fā)現(xiàn)具有很高的可逆放電容量（3倍于石墨），此材料才逐漸引起研究者們的關(guān)注。圖2［14］是一些轉(zhuǎn)化類(lèi)負(fù)極材料的首次放電比容量。

圖2 部分轉(zhuǎn)化類(lèi)負(fù)極材料的首次放電比容量［14］Fig.2 First discharge（delithiation）capacities of various conversion-reaction-based anode materials［14］

不同于以上3類(lèi)負(fù)極材料，尖晶石結(jié)構(gòu)鈦酸鋰 Li4Ti5O12也 受 到 越 來(lái) 越 多 的 關(guān) 注［24］。Li4Ti5O12的工作電壓為1.5 V，相對(duì)于一般負(fù)極材料偏高，在此電壓下，電解質(zhì)不會(huì)分解，因此以鈦酸鋰作為電池的負(fù)極材料，在循環(huán)過(guò)程中材料表面不會(huì)形成SEI膜，首次充放電效率高。此外，在鋰離子嵌入和脫出的前后，鈦酸鋰類(lèi)材料幾乎不會(huì)發(fā)生體積變化，是一種“零應(yīng)變材料”，具有突出的安全性，成為下一代儲(chǔ)能電站用鋰離子電池的熱門(mén)候選材料。

2.2 電解質(zhì)

在電池中，電解液與電極材料之間的相互作用，其本身存在分解反應(yīng)，幾乎參與了電池內(nèi)部發(fā)生的所有反應(yīng)過(guò)程。目前鋰離子電池中包含的電解液多為有機(jī)體系，在過(guò)充、過(guò)放、短路及熱沖擊等濫用的狀態(tài)下，電池溫度迅速升高，電解液普遍存在易燃的問(wèn)題，常常會(huì)導(dǎo)致電池起火，甚至爆炸。目前高容量動(dòng)力鋰離子電池商業(yè)化最突出的障礙就是安全性問(wèn)題。因此，選擇合適的電解質(zhì)體系也是獲得高能量、長(zhǎng)循環(huán)壽命和安全性能良好的鋰二次電池的關(guān)鍵之一。

電解質(zhì)是電池的重要組成部分，在正、負(fù)兩極之間起輸運(yùn)離子、傳導(dǎo)電流的作用。從相態(tài)上來(lái)分，鋰離子電池電解質(zhì)可分為液態(tài)、固態(tài)和熔融鹽電解質(zhì)3類(lèi)。從鋰離子電池內(nèi)部傳質(zhì)的實(shí)際要求出發(fā)，電解質(zhì)必須滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)基本要求：①離子電導(dǎo)率，電解質(zhì)不具有電子導(dǎo)電性，但必須具有良好的離子導(dǎo)電性，一般溫度范圍內(nèi)，電解質(zhì)的電導(dǎo)率在1×10-3～2×10-3S/cm之間；②離子遷移數(shù)，電池內(nèi)部輸運(yùn)電荷依賴(lài)離子的遷移，高離子遷移數(shù)可減小電極反應(yīng)時(shí)的濃差極化，使電池產(chǎn)生高的能量密度和功率密度，理想的鋰離子遷移數(shù)應(yīng)盡量接近1；③穩(wěn)定性，電解質(zhì)與電極直接接觸時(shí)，應(yīng)盡量避免副反應(yīng)的發(fā)生，這就要求電解質(zhì)要具備一定的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；④機(jī)械強(qiáng)度，電解質(zhì)需要有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度以滿(mǎn)足電池的大規(guī)模生產(chǎn)包裝過(guò)程。

Li等［25］將三甲基磷酸酯（TMP）作為高電壓電解液的添加劑，以L(fǎng)i1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2作為電池的正極并測(cè)試，結(jié)果表明，電解液中添加1%TMP，可以顯著提高電池的倍率性能和循環(huán)性能。

為避免常規(guī)鋰電池存在的漏液、易燃、易爆等安全性問(wèn)題，鋰二次電池電解質(zhì)體系正在向固態(tài)化發(fā)展。固態(tài)電解質(zhì)又被稱(chēng)為快離子導(dǎo)體，要求電解質(zhì)具有較高的離子導(dǎo)率、低電子導(dǎo)電性以及低活化能。科學(xué)家們目前研究的固態(tài)電解質(zhì)包括無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)、固態(tài)聚合物電解質(zhì)、固-液復(fù)合電解質(zhì)等多種類(lèi)型。

在無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)中，Li+處于流動(dòng)態(tài)，通過(guò)電解質(zhì)中的空穴和/或間隙位置發(fā)生遷移傳導(dǎo)。Morimoto等［26］成功合成了無(wú)定形的磷酸鈦鋁鋰Li1+xAlxTi2-x（PO4）3（x=0.3）（a-LATP）和具有NASICON結(jié)構(gòu)的磷酸鈦鋁鋰Li1+xAlxTi2-x-（PO4）3（x=0.3）（c-LATP），得到的c-LATP室溫電導(dǎo)率較高，為～10-4S/cm，可用作LiCoO2的表面修飾材料，經(jīng)過(guò)修飾的LiCoO2在截止電壓為4.5 V時(shí)顯示出較好的循環(huán)性能以及較高的比容量。向Li2S-P2S5體系引入Ge0.35Ga0.05Se0.60部分替代P2S5得到新型固態(tài)電解質(zhì)，其電壓窗口超過(guò)6.5 V，室溫下平均Li+離子導(dǎo)率為1.5×10-3S/cm［27］。

全固態(tài)聚合物電解質(zhì)的導(dǎo)電是依靠聚合物的鏈段運(yùn)動(dòng)和鋰離子遷移，可完全避免液體增塑劑的使用，被認(rèn)為是解決鋰離子電池安全性問(wèn)題的最好途徑之一。具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的聚乙烯/聚環(huán)氧乙烷固態(tài)聚合物電解質(zhì)具有較高的離子電導(dǎo)率（25°C時(shí) ＞1.0×10-4S/cm）和優(yōu)越的抗枝晶生長(zhǎng)能力［28］。將 MFC（Micro-fibrillated Cellulose）納米纖維與甲基丙酸烯基全固態(tài)聚合物電介質(zhì)膜進(jìn)行復(fù)合，表現(xiàn)出卓越的力學(xué)性能，并且材料整體的電化學(xué)性能沒(méi)有受到任何破壞，有望應(yīng)用于柔性全固態(tài)鋰二次電池［29］。

Marczewski等［30］提出“在鹽中的離子液體”概念，研究了（1-x）EMIMTFSI：（x）LiTFSI，0.66≤x≤0.97，該材料在溫度升高的情況下，在不同的液-固相區(qū)，可以有多個(gè)熱穩(wěn)定性窗口、高的離子導(dǎo)率和優(yōu)越的機(jī)械加工性能，在x=0.70和x=0.75時(shí)，其離子電導(dǎo)率可達(dá)6×10-3S/cm。

3 航空領(lǐng)域鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀

飛機(jī)電源中包括主電源、輔助電源、應(yīng)急電源和二次電源。航空蓄電池與普通商用蓄電池的最大區(qū)別在于二者應(yīng)用的環(huán)境不同，前者工作環(huán)境極端、溫度冷熱交變劇烈，對(duì)蓄電池在極端環(huán)境下的電性能和傳熱能力有著更為嚴(yán)苛的要求。另外，基于飛行器對(duì)整體荷重的要求，蓄電池的質(zhì)量一直是飛行器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)注的問(wèn)題，一個(gè)能明顯降低飛行器儲(chǔ)能系統(tǒng)質(zhì)量的方法就是應(yīng)用鋰離子電池技術(shù)。

在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)和阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中美軍均曾使用小型無(wú)人偵察機(jī)［31］，其中美國(guó)航空環(huán)境公司研制的“龍眼”（Dragon Eye）無(wú)人機(jī)最為著名的是它具有全自動(dòng)、可返回和手持發(fā)射等特點(diǎn)，其動(dòng)力電源即為鋰離子電池。2011年，該公司又研制出新一代蜂鳥(niǎo)（Hummingbird）偵察機(jī)，長(zhǎng)度僅16 mm，每小時(shí)可飛行11英里（1英里=1.609 km），并可對(duì)抗每小時(shí)5英里的風(fēng)力，質(zhì)量還不及1枚AA電池的質(zhì)量，其動(dòng)力來(lái)源也為鋰離子電池。

2009年，歐洲空中客車(chē)公司首次引入由Saft公司提供的鋰離子電池系統(tǒng)，作為空客A350型飛機(jī)的啟動(dòng)和備用電源；波音公司最先進(jìn)的波音787型客機(jī)，其主電池及輔助動(dòng)力裝置（APU）電池也是采用鋰離子電池；從20世紀(jì)80年代起，日本企業(yè)在政府的支持下開(kāi)始投入鋰離子電池的研究，三菱、Yuasa等企業(yè)都是知名的鋰離子供應(yīng)商。國(guó)外企業(yè)都極為重視市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)和保護(hù)，在航空用鋰離子電池領(lǐng)域研究的起步階段就已搶占先機(jī)［32］。

如圖3所示［33］，目前飛機(jī)用鋰離子電池的比能量約為100～150 W·h/kg，僅能滿(mǎn)足飛機(jī)電動(dòng)力系統(tǒng)的最低要求。為使蓄電池電動(dòng)力系統(tǒng)達(dá)到與內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)相當(dāng)?shù)乃剑浔饶芰啃枰岣?0倍以上。預(yù)計(jì)固態(tài)電解質(zhì)和納米電極技術(shù)有望使鋰離子電池的比能量分別提高2倍和5倍以上，但相關(guān)技術(shù)尚在基礎(chǔ)研究階段。

圖3 鋰離子電池比能量和能量密度［33］Fig.3 Specific energy and energy density of LIB［33］

大容量高功率鋰離子電池在航空領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景，但安全問(wèn)題已成為制約其在該領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸，亟待解決。2013年1月7日，日本航空一架波音787型客機(jī)機(jī)身后部的輔助動(dòng)力電池發(fā)生過(guò)熱導(dǎo)致起火，不僅電池及其外部殼體嚴(yán)重?fù)p壞，泄漏的電解質(zhì)和產(chǎn)生的熾熱氣體使得半米以外的飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)也受到損壞（見(jiàn)圖4［34］）。僅僅9天之后，另一架全日空的波音787客機(jī)起飛，在即將達(dá)到巡航高度時(shí)，也因電池故障緊急降落，所幸機(jī)上129名乘客和8名機(jī)組人員安全逃生。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該架飛機(jī)機(jī)身前部駕駛艙下電子艙內(nèi)的主電池過(guò)熱燒毀，殼體損壞嚴(yán)重。2013年4月25日，美國(guó)聯(lián)邦航空署（FAA）正式批準(zhǔn)了波音公司關(guān)于波音787型客機(jī)電池的修改方案，兩天后波音787復(fù)航，此次波音787鋰電池風(fēng)波到此才大體平息［34］。

圖4 燒毀的波音787鋰電池［34］Fig.4 Image of burned LIB in Boeing 787［34］

針對(duì)波音787鋰電池風(fēng)波，方謀等［35］對(duì)大型動(dòng)力電池組的安全性進(jìn)行了分析，蓄電池體系是把氧化劑（正極材料）和燃料（負(fù)極材料、電解質(zhì)）緊密結(jié)合、密封在一個(gè)封閉容器里以?xún)?chǔ)存和釋放能量，這起事故表明，現(xiàn)有的應(yīng)對(duì)外短路和過(guò)充放電的安全保護(hù)措施和技術(shù)都無(wú)法應(yīng)對(duì)電池內(nèi)短路。以目前的技術(shù)水平而言，當(dāng)熱失控發(fā)生時(shí)，使整個(gè)電池模塊迅速冷卻、阻止模塊內(nèi)部電池之間熱失控傳遞的方法最為可行。

4 我國(guó)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

我國(guó)自20世紀(jì)80年代初期開(kāi)始進(jìn)行鋰離子電池的研發(fā)工作。2000年，日本的鋰離子電池年產(chǎn)量達(dá)5億只，約占全球市場(chǎng)90%多，而我國(guó)的年產(chǎn)量?jī)H為0.35億只。隨著技術(shù)的發(fā)展，為順應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求，我國(guó)相繼出臺(tái)一系列政策，推動(dòng)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展：在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》中，動(dòng)力鋰離子電池被列為高效能源材料技術(shù)的優(yōu)先發(fā)展方向。在一系列國(guó)家政策的支持下，我國(guó)的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，鋰電池產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速成長(zhǎng)階段。深圳比亞迪、深圳比克、天津力神等鋰離子電池企業(yè)迅速崛起，2004年，我國(guó)的鋰離子電池年產(chǎn)量達(dá)到8億只，在全球市場(chǎng)份額猛增至38%，僅次于日本。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，到2013年，我國(guó)的鋰離子電池年產(chǎn)量已達(dá)到近47.68億只，已發(fā)展成為全球電池生產(chǎn)制造大國(guó)。

在航天應(yīng)用領(lǐng)域，目前國(guó)內(nèi)空間用圓形鋰離子電池的比能量約為110～140 W·h/kg；在電池地面壽命試驗(yàn)方面，高軌衛(wèi)星80%DOD，達(dá)到了15年壽命水平；低軌衛(wèi)星30%DOD，已達(dá)到5年壽命水平［36］。

在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，萬(wàn)向集團(tuán)為上海世博會(huì)提供了電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)用鋰離子電池；上海汽車(chē)除了與比亞迪、上?？臻g電源研究所持續(xù)進(jìn)行深度合作外，同時(shí)還與全球鋰二次電池領(lǐng)域居于技術(shù)領(lǐng)先地位的美國(guó)A123組建了合資公司，生產(chǎn)和銷(xiāo)售車(chē)用動(dòng)力電池系統(tǒng)。

在電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域，2011年2月，我國(guó)第一個(gè)兆瓦級(jí)電池儲(chǔ)能電站---南方電網(wǎng)5 MW級(jí)電池儲(chǔ)能電站在深圳并網(wǎng)成功，該電池儲(chǔ)能電站總?cè)萘繛?0 MW，待其全部投產(chǎn)后，將成為世界上最大的鋰離子電池儲(chǔ)能電站。

5 問(wèn)題與對(duì)策

目前，我國(guó)鋰離子電池的能量密度和功率密度等關(guān)鍵指標(biāo)明顯提升，但在關(guān)鍵材料以及制造技術(shù)等方面與以日本、美國(guó)為代表的國(guó)際先進(jìn)水平仍存在較大差距。針對(duì)該領(lǐng)域中的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題開(kāi)展研究，將為我國(guó)能源領(lǐng)域的發(fā)展提供關(guān)鍵材料、技術(shù)和知識(shí)，使我國(guó)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中處于有利位置，對(duì)我國(guó)的能源安全、環(huán)境保護(hù)和人民生活水平的提高具有不可估量的意義。

基于先進(jìn)儲(chǔ)能材料的研究，開(kāi)發(fā)具有高能量和高功率密度、安全可靠、長(zhǎng)壽命、環(huán)境友好的儲(chǔ)能器件及其復(fù)合系統(tǒng)，促進(jìn)其實(shí)用化，可為新型動(dòng)力電池的發(fā)展、可再生能源的合理配置以及電力的調(diào)節(jié)提供有效的新方法，將滿(mǎn)足我國(guó)在電動(dòng)車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、大中型電動(dòng)工具、電子通訊、航空航天和國(guó)防等領(lǐng)域的動(dòng)力電源重大需求，并為其大規(guī)模、高效合理的應(yīng)用開(kāi)辟新的途徑。這對(duì)我國(guó)工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和資源合理配置體系的建立具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

另外，國(guó)內(nèi)對(duì)航空航天領(lǐng)域的大容量鋰離子電池的研發(fā)，尚處于起步階段，其循環(huán)壽命、倍率充放電性能和安全性仍需進(jìn)一步提升。同時(shí)，要滿(mǎn)足空間實(shí)際應(yīng)用要求，還需在使用和設(shè)計(jì)中必須著重考慮空間環(huán)境因素對(duì)電源系統(tǒng)的影響，提高單體電池性能的均勻性，使得電源在復(fù)雜的空間環(huán)境下可靠地工作。

6 結(jié)論與展望

隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，鋰離子電池在日常使用及專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域中的份額逐年上升，促進(jìn)了鋰離子電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展?？梢灶A(yù)見(jiàn)：

1）在未來(lái)20年，為了適應(yīng)不同的儲(chǔ)能環(huán)境，鋰離子電池必將向多品種及特種電池應(yīng)用的方向逐步改進(jìn)。

2）高安全、高效率、長(zhǎng)壽命、低成本是鋰離子電池技術(shù)發(fā)展的方向和追求目標(biāo)。

3）發(fā)展新型高性能低成本電池材料及相應(yīng)的電化學(xué)體系，探索高效加工生產(chǎn)技術(shù)、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)整體進(jìn)步是鋰離子電池技術(shù)獲得突破的有效途徑。

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