锂电池在我们生活中扮演的角色将越来越重要。从智能手机到电动汽车再到储能，处处可见锂电池的身影。然而，随着这些行业的发展，人们对这些产品提出了更多的需求，也对锂电提出了更苛刻的要求。因此，电池技术突破，尤为重要。目前，锂离子电池能量密度和安全性能亟待提升，锂硫电池、锂空气电池和固态电池都有希望取代锂离子电池，这三种电池技术，是行业研究的热门领域。

突破一：韩国推出新型防火防爆全固态锂电池

韩国蔚山科技大学（UNIST，能源与化学工程学院）Yoon Seok Jun教授与首尔国立大学的。 Seng M. Oh教授牵头的研发团队开发出一种全固态锂电池。开发该电池采用的方法是先将固体电解质熔化，然后将熔化的电解质涂抹在电极上。为了解决粉末状的固体电解质和电极活性材料之间的接触不活跃，使得锂离子更难以移动到电极的问题。该团队还开发出了一种可以增强固体电解质导电性的材料，甲醇液中添加碘化锂（LiI）。

据该团队的Jung教授介绍，新开发的固体电解质具有较高的离子导电性、无毒性。而且所采用电池原料和溶剂（甲醇）价格都比较便宜。

突破二：新型双离子电池技术 成本更低能量密度更高

中国科学院深圳先进技术研究院唐永炳研究员及其团队研发出新型高储能、低体积电池技术。

据介绍，唐永炳发明的铝—石墨双离子电池，是一种全新的高效、低成本储能电池。这种新型电池，用石墨取代锂电池里的锂化合物，作为正极材料，用铝箔作为负极材料和负极集流体。电解液则由常规锂盐和碳酸酯类有机溶剂组成。

该新型电池在充电过程中，正极石墨发生阴离子插层反应，而铝负极发生铝-锂合金化反应，放电过程则相反。这种新型反应机理，不仅可以显著提高电池的工作电压（3.8-4.6V），同时大幅降低电池的质量、体积、及制造成本，从而全面提升全电池的能量密度（~220 Wh/kg）。

该团队成员表示，500kg的铝-石墨电池的续航里程可达到约550公里，而同等重量的普通电动汽车电池，续航里程最多只有400多公里。新型电池与传统锂电技术相比，铝-石墨电池可将生产成本降低约40%-50%，能量密度提高至少1.3-2.0倍。

突破三：微宏不燃烧电池技术 或解决电动汽车起火难题

2016年3月19日，微宏在北京水立方举办了“More Than Safe|微宏不燃烧电池技术”发布会。此次发布的不燃烧电池技术是微宏历时8年研发的不燃烧电池技术成果。主要从隔膜耐高温、电解液不燃烧的主动防御，与STL智能热控流体技术的被动防御两个层面解决锂离子电池的安全困局。

研究表明，锂离子电池在发生热失控时，放热量最多的是电解液，因此不燃烧电解液是保证电池不燃烧所要解决的最重要问题。在现场，微宏展示了不燃烧电解液确实不会被点燃。在实现电解液不燃烧之后，高性能隔膜也是保证锂离子电池安全的重要保障。普通锂离子电池隔膜通常熔点较低，在130摄氏度左右便会收缩，从而导致电池的内部短路，发生热失控。微宏提出了耐高温隔膜的思路。与普通的PE隔膜相比，耐高温隔膜熔点更高，可以保证电池即便在300摄氏度的高温下也不会发生收缩，防范电池内部短路，从而避免热失控。在解决了锂离子电池内部的电解液以及隔膜的问题，相当于为不燃烧电池主动设立了防御措施。微宏也还采用浸没方式的STL智能热控流体技术设立了被动防御措施。

STL智能热控流体技术是指将电池组浸没在液体里，利用绝缘导热液体作为绝缘、阻燃、导热性能俱佳的材料，能够在电池组内部发生细微内短路的情况下，快速隔绝热失控点，同时利用液体降低热失控点的温度，最大程度地降 低了电池组安全风险。STL除了安全以外，也能够均衡电池组内部温度差异、并利用外部循环实现更好的温度控制，同时即便电池组漏液，也能及时通过液体检测发现，安全更有保障。

不燃烧电解液与耐高温隔膜两个主动的防御措施，配合STL智能热控流体这一被动防御措施，最终实现了电池系统级别的不燃烧、高安全与高性能。

突破四：无钴高电压电池材料问世 可降低电池成本

Nano one公司宣布成功研制无钴高电压锂电池阴极材料——高电压尖晶石。该材料只含锂、锰、镍而不含钴元素，与已商业化的含钴电池材料相比，具有输出电压高，寿命长，安全性高，电池容量和放电功率大的特点，同时降低了成本、环保和供应链的风险压力。高电压电池材料重量轻、体积小和成本低的优势将在未来电动汽车和数码产品中发挥重大作用。

突破五：新型复合金属锂电极材料问世 突破商业化瓶颈

美国斯坦福大学著名材料学家崔屹与美国前能源部部长、诺贝尔物理奖得主朱棣文组成的研究团队，最近在金属锂电极的实际应用研发方面取得重大突破。

金属锂具有极高的理论比容量和理想的负极电位。以金属锂为负极的二次电池，具有高工作电压、高能量密度等优势，使得金属锂成为当今能源存储领域的首选材料。然而金属锂与电解液的副反应，循环过程中的电极尺寸变化，以及锂枝晶的形成。前者很大程度上降低了电池的库伦效率，影响了其电化学性能；后两者则会给金属锂电池带来严重的安全隐患。

该研究团队经过多次尝试后，他们将目光转向了纳米技术。研究小组对材料表面特殊浸润性进行深入研究后，首次提出了“亲锂性”这一概念，并利用表面“亲锂化”处理的碳质主体材料，通过建立“亲锂”的界面材料体系，开创性地将金属锂融化之后，利用毛细作用吸入碳纤维网络的空隙中，成功制备出含有支撑框架的复合金属锂电极。新研究的复合金属锂电极在碳酸盐电解液体系的循环过程中具有较小的尺寸变化、极高的比容量和良好的循环及倍率性能，其电压曲线也相对平滑，突破了当前制约金属锂电池商业化的主要问题。

复合金属锂电极由10%体积比的碳纤维和金属锂材料组成。碳纤维网络具有良好的导电性，超高的机械强度和电化学稳定性，因此，作为金属锂的主体框架材料是绝佳选择。与之前的相关研究相比，梁正等人将金属锂融化，并依据不同材料的浸润性所提出的“亲锂”“疏锂”概念，为金属锂电极研究提供了新思路，并且对其他领域的研究具有极高的借鉴作用。

突破六：MIT新型锂氧电池 或解决电动汽车续航“焦虑”

由麻省理工学院核科学与工程学院教授李巨领衔，与MIT、阿贡国家实验室、北京大学等另外几名成员研究团队公布了新研发的锂氧电池。

根据李巨教授介绍，“传统的锂空气电池的工作原理是这样的：在放电过程中，锂空气电池从外界吸收氧气，并与电池的锂产生化学反应。在充电过程中，则产生相反的化学反应，氧被重新释放到空气中。而新型锂氧电池，充电与放电过程中，锂元素与氧气进行同样的电化学反应，但整个过程中根本不需要氧元素的气态变化。氧元素一直以固态形势存在，并可在三种氧化还原状态中直接切换，产生三种不同的固体化合物——氧化锂Li2O、过氧化锂Li2O2以及超氧化锂LiO2”。

新型电池的奥秘在于创建一个极小的微粒，大约在纳米级别，成玻璃状的微粒可同时包含锂与氧，并紧紧被包围在氧化钴（cobalt oxide）的小矩阵里。因为通常状态下，纳米锂氧非常不稳定，所以研究人员将它们放入了氧化钴的矩阵之中。氧化钴矩阵其实是一种类似海绵状的物质，每隔几纳米就有一个气孔。氧化钴矩阵一方面可以稳定住纳米锂氧，另一方面，还可以充当化学反应的催化剂。

李巨教授将锂空气电池和新型锂氧电池进行对比，锂空气电池的一大缺点是电池充电与放电时电压的不匹配。电池的输出电压比充电时的电压要低1.2伏还要多，这意味着在每一次完整充电过程中，都会产生巨大的能量损失，在充电时，约30%的电量以热量的形式流失，如果你充电速度过快，它都可以自燃。锂氧电池电压损耗情况可以改善5倍以上，从1.2伏减为0.24伏，所以，仅有8%的电能被转换成了热量。这意味着汽车可以快速充电，因此电池组发烫的情况会解决，不再构成安全隐患，而且电池的能源效率得到了保障。

锂空气电池其实是锂干氧电池，因为它完全不能处理潮湿以及二氧化碳。所以锂空气电池使用的输入型空气需要认真处理。新电池完全不需要吸入以及排除气体，这个困扰锂空气电池的问题迎刃而解。

此外，新型电池自身存在一种过度充电的保护机制，在过度充电情况下，化学反应可以实现自我约束。一旦过度充电情况发生，化学物质马上转变成另外一种形态，从而化学反应中止。在循环负荷试验中，新型电池的实验室版本完成了120遍充电—放电的循环测试，整个过程下来，仅有2%的能量损失，这意味着这种电池或将拥有超长寿命。

研究团队表示，新电池使用的作为液体电解质的碳酸盐是最 便宜的一种。此外，氧化钴的重量还不到纳米锂氧重量的一半。整体而言，这种新型电池与锂空气电池相比，应用更为广泛、价格更为低廉、使用更为安全。

突破七：中科院研制出高性能石墨烯锂电池材料

中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所刘锦淮和黄行九课题组的副研究员刘金云等在研制高性能石墨烯锂离子电池方面取得新成果。

刘金云等通过美国伊利诺伊大学香槟分校和中科院合肥研究院合作，研制了一种基于三维石墨烯的复合电池材料，具有高的活性材料负载量、短的离子电子传输路径，而且电极材料组装成电池不需要使用任何粘结剂和导电剂等添加剂，电池具有高容量和优良的循环稳定性。

研制的三维石墨烯/五氧化二钒电池正极材料，在12分钟完全充/放电条件下，循环2000次后电池容量大于200 mAh/g（大量文献报道小于1000次、容量普遍低于150 mAh/g）；而且1分钟充电的容量，达到商用和文献报道的大于5分钟的相近容量。

此外，该三维石墨烯复合电池材料结构设计还可以应用于锂离子电池负极材料，比如研制石墨烯/硅复合负极，展现出良好的通用性。

突破八：麻省理工发现新型可导电海绵状MOF材料 推动电池技术发展

美国麻省理工学院首次发现了具有导电性的金属-有机框架化合物MOF材料（metal-organic frameworks），海绵状微观结构的新型MOF材料具有极高的储能密度，有望能够成为新一代超级电容/电池技术的核心材料。

海绵状的新型MOF材料由于结构特性，具有极高的材料表面积，由此可以制备具极高储能密度的超级电容器，新型MOF材料被证明可在一定条件下具有导电性。这种具备高度导电性的MOF材料，打开了一个全新的应用类型。

该团队相信，应用该材料制备的超级电容将有更高的储能密度，有望应用在更广的范围内，推动新一代电池技术发展。

突破九：掺杂碳纳米管片 新型锂电池受损后可自我愈合

研究人员开发了一种新型锂离子电池，即使受损后，它也能迅速“再生”，恢复对外供电。新一代电池利用一系列掺有聚合物的碳纳米管片，在电池受损时不止会阻止泄露，还使“创伤面”能自我愈合。

开发这项技术的研究团队，利用佩戴在玩偶手臂上的柔性腕带形状电池进行了演示。电池受到损伤后，会自己“长好”，恢复供电，就像没有受到过损伤一样。研究人员认为自愈合电池可以用于可穿戴设备——尤其是有时可能受损的可穿戴设备。

目前，新型电池还处于试验阶段，因此要应用在Fitbit健身手环或Apple Watch等可穿戴设备中还需要一段时间。

突破十：华为石墨烯基高温锂离子电池取得重大突破

12月1日，华为中央研究院瓦特实验室宣布在锂离子电池领域实现重大研究突破，推出业界首个高温长寿命石墨烯基锂离子电池。实验结果显示，以石墨烯为基础的新型耐高温技术可以将锂离子电池上限使用温度提高10℃，使用寿命是普通锂离子电池的2倍。

华为瓦特实验室首席科学家李阳兴博士指出，石墨烯基高温锂离子电池技术突破主要来自三个方面：在电解液中加入特殊添加剂，除去痕量水，避免电解液的高温分解；电池正极选用改性的大单晶三元材料，提高材料的热稳定性；同时，采用新型材料石墨烯，可实现锂离子电池与环境间的高效散热。

据介绍，高温环境下的充放电测试表明，同等工作参数下，该石墨烯基高温锂离子电池的温升比普通锂离子电池降低5℃； 60°C高温循环2000次，容量保持率仍超过70%；60℃高温存储200天，容量损失小于13%。

这一研究成果将给通信基站的储能业务带来革新。在炎热地区使用该高温锂离子电池的外挂基站工作寿命可达4年以上。石墨烯基锂离子电池也将助力电动车在高温环境下持久续航，以及无人机高温发热下的安全飞行。 

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。1912年锂金属电池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世纪70年代时，M. S. Whittingham提出并开始研究锂离子电池。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。随着科学技术的发展，现在锂电池已经成为了主流。

锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生，其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制，现在只有少数几个国家的公司在生产这种锂金属电池。

工作原理

锂金属电池：

锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。

锂电池基本原理

锂电池基本原理

放电反应：Li+MnO2=LiMnO2

锂离子电池：

锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。

充电正极上发生的反应为

LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(电子)

充电负极上发生的反应为

6C+XLi++Xe- = LixC6

充电电池总反应：LiCoO2+6C = Li(1-x)CoO2+LixC6

正极

正极材料：可选的正极材料很多，主流产品多采用锂铁磷酸盐。不同的正极材料对照：

LiCoO2 3.7 V140 mAh/gLi2Mn2O44.0 V100 mAh/gLiFePO43.3 V100 mAh/gLi2FePO4F3.6 V115 mAh/g

正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。 充电时：LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe-放电时：Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- → LiFePO4。

负极

负极材料：多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。

负极反应：放电时锂离子脱嵌，充电时锂离子嵌入。

充电时：xLi+ + xe- + 6C → LixC6

放电时：LixC6 → xLi+ + xe- + 6C

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。

5、1989年，A.Manthiram和J.Goodenough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。

发展前景

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。

锂电池广泛应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统，邮电通讯的不间断电源，以及电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、军事装备、航空航天等多个领域。

锂离子电池以其特有的性能优势已在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍应用。开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用，预计将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在

人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。随着能源的紧缺和世界的环保方面的压力。锂电被广泛应用于电动车行业，特别是磷酸铁锂材料电池的出现，更推动了锂电池产业的发展和应用。

《规划》出台 有望改变世界锂电池格局

4月18日，国务院讨论通过了《节能与新能源汽车产业发展规划(2012~2020年)》（下称《规划》），明确了以纯电驱动为汽车工业转型的主要战略取向，推广普及非插电式的混合动力汽车，并提出了在2015年纯电动以及混合动力车累计产销量达到50万辆，到2020年超过500万辆的目标。

《规划》的出台，在坊间引发巨大关注。诸多专家认为，此举将促进汽车业进入新一轮发展期，此外，还在无形中为节能与新能源汽车的核心部件动力电池产业勾勒出一个庞大的市场轮廓。

电池特点

优点

1．能量比较高。具有高储存能量密度，已达到460-600Wh/kg，是铅酸电池的约6-7倍；

2．使用寿命长，使用寿命可达到6年以上，磷酸亚铁锂为正极的电池1C（100%DOD）充放电，有可以使用10,000次的记录；

3．额定电压高（单体工作电压为3.7V或3.2V），约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压，便于组成电池电源组；锂电池可以通过一种新型的锂电池调压器的技术，将电压调至3.0V，以适合小电器的使用。

4．具备高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30C充放电的能力，便于高强度的启动加速；

5．自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一，一般可做到1%/月以下，不到镍氢电池的1/20；

6．重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/6-1/5；

7．高低温适应性强，可以在-20℃--60℃的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在-45℃环境下使用；

8．绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。

9．生产基本不消耗水，对缺水的我国来说，十分有利。

比能量指的是单位重量或单位体积的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L来表示。Wh是能量的单位，W是瓦、h是小时；kg是千克(重量单位)，L是升(体积单位)。

缺点

1．锂原电池均存在安全性差，有发生爆炸的危险。

2．钴酸锂的锂离子电池不能大电流放电，价格昂贵，安全性较差。

3．锂离子电池均需保护线路，防止电池被过充过放电。

4．生产要求条件高，成本高。

5．使用条件有限制，高低温使用危险大。

电池特征

    高能量密度

    锂离子电池的重量是相同容量的镍镉或镍氢电池的一半，体积是镍镉的20-30%，镍氢的35-50%。

    高电压

    一个锂离子电池单体的工作电压为3.7V(平均值)，相当于三个串联的镍镉或镍氢电池。

    无污染

    锂离子电池不含有诸如镉、铅、汞之类的有害金属物质。

    不含金属锂

    锂离子电池不含金属锂，因而不受飞机运输关于禁止在客机携带锂电池等规定的限制。

    循环寿命高

    在正常条件下，锂离子电池的充放电周期可超过500次，磷酸亚铁锂（以下称磷铁）则可以达到2000次。

    无记忆效应

    记忆效应是指镍镉电池在充放电循环过程中，电池的容量减少的现象。锂离子电池不存在这种效应。

    快速充电

    使用额定电压为4.2V的恒流恒压充电器，可以使锂离子电池在1.5--2.5个小时内就充满电；而新开发的磷铁锂电，已经可以在35分钟内充满电。