在當今科技飛速發展的時代，鋰電池已經成為我們生活中不可或缺的一部分。從智能手機、平板電腦等消費電子產品，到電動汽車等交通工具，再到電網能源儲存等工業領域，鋰電池的廣泛應用極大地改變了我們的生活方式。

鋰電池之所以能夠在眾多領域發揮重要作用，與其優異的性能特點密不可分。它具有高能量密度，能夠在較小的體積和重量下儲存大量的電能；循環壽命長，可進行多次充放電而性能不會明顯下降；自放電率低，在閑置狀態下能夠保持較長時間的電量；同時，鋰電池還具有無記憶效應、環保等優點。這些特點使得鋰電池在現代生活中備受青睞，也引發了人們對其組成材料的濃厚興趣。接下來，我們將深入探討鋰電池的組成材料，揭開其神秘面紗。

二、鋰電池的基本結構

1. 正極：常用材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等，介紹不同正極材料的特點和應用場景。

鋰電池的正極材料在很大程度上決定了電池的性能和應用場景。目前常用的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等。

鈷酸鋰：是現階段商品化鋰離子電池中應用最成功、最廣泛的正極材料。它在可逆性、放電容量、充放電效率和電壓穩定方面表現較好，主要應用于 3C 產品。但鈷酸鋰成本較高、壽命較短。

錳酸鋰：我國錳資源儲量豐富，錳無毒且污染小。錳酸鋰能量密度較低、壽命較短但成本低，主要應用于專用車輛。尖晶石型的 LiMn?O? 是正極材料研究的熱點之一。

磷酸鐵鋰：壽命長、安全性好、成本低，主要應用于商用車。磷酸鐵鋰具有穩定的橄欖石結構，在充放電過程中結構變化較小，安全性高。同時，其原材料來源廣泛，價格相對較低。

三元材料：鎳鈷錳酸鋰（NCM）和鎳鈷鋁酸鋰（NCA）等三元材料能量密度高、循環性能好、壽命較長，主要應用于乘用車。三元材料通過不同比例的鎳、鈷、錳（或鋁）組合，可以調節材料的性能。高鎳三元材料正在進一步從 8 系向超高鎳 9 系發展，大幅抬升了三元材料的進入門檻。

2. 負極：包括碳材料和非碳材料兩大類，如人造石墨、天然石墨、硅基材料等，闡述負極材料的特性和作用。

鋰電池的負極材料主要分為碳材料和非碳材料兩大類。

碳材料：

天然石墨：天然石墨根據其結晶狀態可分為晶質石墨和隱晶質石墨，常采用天然鱗片狀石墨作為鋰離子電池的負極材料。天然石墨具有對鋰電位低、首次效率高、循環穩定性好等優點，但也存在表面缺陷多、比表面積大、首次效率較低、有溶劑化鋰離子共嵌入現象、各向異性強等問題，需要進行改性。

人造石墨：一般采用致密的石油焦或針狀焦作為前驅體經過石墨化高溫處理制成。人造石墨避免了天然石墨的表面缺陷，但仍存在因晶體各向異性導致倍率性能差，低溫性能差，充電易析鋰等問題。

軟碳：軟碳又稱為易石墨化碳材料，在 2500℃以上的高溫下能石墨化。軟碳具有低溫性能優異，倍率性能良好等優點，但首次充放電時不可逆容量較高，輸出電壓較低，無明顯的充放電平臺，一般不獨立作為負極材料使用，通常作為負極材料包覆物或者組分使用。

硬碳：硬碳又稱難石墨化碳材料，在 2500℃以上的高溫也難以石墨化。硬碳具有極好的充放電性能，如酚醛樹脂在 800℃熱解可得到硬碳材料，其首次充電容量可達 800mAh/g，層間距大有利于鋰離子的嵌入和脫嵌。但硬碳首次不可逆容量很高，電壓平臺滯后，壓實密度低，容易產氣。

非碳材料：

硅基材料：晶體硅材料容量高，但體積膨脹可達 300%，嚴重影響循環性能。氧化亞硅材料體積膨脹小，但首次效率過低。為提高 SiOx 材料的首次效率，可采用復合結構，如納米 Si 顆粒分散在 SiOx 顆粒中，顆粒表面包覆多孔碳材料。

錫基材料：錫基材料具有高的比容量，嵌脫鋰電壓適中，自然儲量豐富，價格低廉，無毒，安全性高和環保等優點，但在嵌脫鋰時發生相變和合金反應，產生巨大的體積膨脹效應，循環性能差。

3. 隔膜：以聚乙烯、聚丙烯為主的聚烯烴類隔膜，說明隔膜的重要性和功能。

鋰電池的隔膜是關鍵的內層組件之一，以聚乙烯、聚丙烯為主的聚烯烴類隔膜在鋰電池中起著至關重要的作用。

重要性：隔膜的性能直接影響電池的容量、循環以及安全性能等特性。優質的隔膜是電池生產企業的必由之路，一旦隔膜被雜質或硬物刺破，電池就相當于短路了，可能性很大。

功能：

隔離正負極：隔膜的主要作用是使電池的正、負極分隔開來，防止兩極接觸而短路。

離子傳導：具有能使電解質離子通過的功能，為鋰離子在正負極之間的移動提供通道。

電子絕緣性：保證正負極的機械隔離，阻止電子直接通過電池內部，確保電子只能沿著外部電路流動，從而在外電路中產生電流。

穩定性：對電解液的浸潤性好并具有足夠的吸液保濕能力，具有足夠的力學性能，包括穿刺強度、拉伸強度等，熱穩定性和自動關斷保護性能好。

4. 電解液：由高純度有機溶劑、電解質鋰鹽和添加劑組成，講解電解液在鋰電池中的作用。

鋰電池電解液是電池中離子傳輸的載體，主要由高純度的有機溶劑、電解質鋰鹽、必要的添加劑等原料組成。

成分：

溶劑：一般使用碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸甲乙酯（EMC）等碳酸酯化合物，這些溶劑具有良好的導電性和化學穩定性，可使鋰鹽溶解，為鋰離子創造舒適的 “游泳環境”。

鋰鹽：最常見的是六氟磷酸鋰（LiPF?），它的作用是提供大量的鋰離子，讓這些離子在正負極之間來回穿梭，完成電荷的轉移。雙氟磺酰亞胺鋰（LiFSI）鋰鹽因優異的電導性和高低溫穩定性，雖成本較高仍被視為 “未來發展確定性最高的新型鋰鹽”，有望實現對六氟磷酸鋰的部分替代。

添加劑：為了提高電池的性能和安全性，電解液中加入了某些添加劑。這些添加劑可以促進固體電解質界面（SEI）膜的形成，減少不必要的化學反應，從而延長電池的使用壽命。

作用：

導電性：電解液在電池中充當離子導體。充電時，鋰離子從正極材料中被提取出來，通過電解質移動到負極，并嵌入那里。放電時，鋰離子從負極材料中被提取出來，通過電解質移動到正極，并嵌入那里。這個過程就像鋰離子在電解質 “高速公路” 上來回穿梭，使電池能夠儲存和釋放電能。

穩定性：有助于維持電池內部化學反應的穩定性，防止過熱、短路或其他潛在危險。例如，有助于形成覆蓋負極表面的固體電解質界面 (SEI) 膜，防止電解質直接與金屬鋰發生反應，從而減少副反應并提高電池的循環壽命和安全性。此外，電解液的成分和特性會影響電池的熱穩定性，避免在高溫或過度充電條件下出現危險情況。

三、鋰電池的發展歷程

鋰電池的發展歷經了漫長而曲折的過程，從概念提出到如今的廣泛應用，離不開眾多科學家的不懈努力和關鍵技術的不斷突破。

20 世紀 50 年代末，美國開始研究開發全新一代的電池 —— 鋰原電池，到 70 年代實現了軍用與民用。1962 年，來自美國軍方的 Chilton Jr 和 Cook 提出 “鋰廢水電解質體系” 的設想，鋰電池的雛形由此誕生。1970 年，日本松下電器公司與美國軍方幾乎同時獨立合成出新型正極材料 —— 碳氟化物。1973 年，氟化碳鋰原電池在松下電器實現量產。1975 年，日本三洋公司在過渡金屬氧化物電極材料取得突破，開發出 Li/MnO?。1976 年，鋰碘原電池出現。1978 年，鋰二氧化錳電池實現量產，三洋第一代鋰電池進入市場，鋰二次電池進入量產時代。

然而，早期鋰離子電池發展緩慢，因為在充放電過程中，作為負極的金屬鋰容易產生枝晶造成電池短路，引起爆炸等安全性問題。1980 年，Armand 等提出以可嵌入式材料替代金屬鋰作為電池負極材料，避免了鋰金屬作為電池負極形成鋰枝晶所引發的安全問題。同年，Goodenough 教授報道了層狀結構材料 LiCoO?。隨后，SONY 公司最早開發了商業化的鋰離子電池，使用 LiCoO?作為正極材料和碳作為負極材料，極大地推動了鋰離子電池商業化的進程。

1983 年，Peled 等人提出 “固態電解質界面膜”（SEI）模型，這一發現對鋰二次電池的開發非常關鍵。80 年代末期，加拿大 Moli 能源公司研發的 Li/Mo?鋰金屬二次電池推向市場，但 1989 年因起火事故，大部分企業退出金屬鋰二次電池的開發，鋰金屬二次電池研發基本停頓。直到 1990 年 Nagaura 等以 “Li-ion” 命名產品，1991 年，日本索尼公司推出第一塊集實用性和安全性于一身的商業化鋰離子電池，標志著鋰電池進入了快速發展階段。

此后，鋰電池的技術不斷進步。1993 年 Bitthn 等提出了 “搖擺點擊體系”，1994 年 Sawai 等提出了 “穿梭往返”，將 RCB 概念技術應用到高潮，使鋰離子電池被廣泛應用到數碼相機，蓄電設備中。1994 年 Bellcore 公司 Tarascon 小組率先提出使用具有離子導電性的聚合物作為電解質制造聚合物鋰二次電池。1996 年，Tarascon 等人報道了 Bellcore/Telcordia 商品化 GPE 電池性能與制備工藝。1997 年，Goodenough 教授又報道了磷酸鐵鋰材料，其特性可以滿足動力鋰離子電池的要求，在容量、循環性能和安全性方面都明顯提高。1999 年，鋰離子聚合物電池正式投入商業化生產。

進入 21 世紀，鋰電池的發展進入新階段。中國科學技術大學姚宏斌課題組、李震宇課題組與浙江工業大學陶新永課題組合作，設計開發出一種鑭系金屬鹵化物基固態電解質新家族，可實現無任何電極修飾且室溫可運行的全固態鋰金屬電池。大龍產業基地在 “鋰離子電池三元正極材料前驅體綠色制造關鍵技術” 方面取得創新突破，建成年產超 10 萬噸的三元前驅體生產線。機械總院北京機械工業自動化研究所 “單向拉伸薄膜生產線” 一次試車成功，成為當前國內唯一一家干法鋰電池隔膜裝備、工藝和技術服務商。

回顧鋰電池的發展歷程，眾多科學家的貢獻和關鍵技術的突破推動了鋰電池的不斷進步，使其在各個領域發揮著越來越重要的作用。未來，隨著技術的不斷創新，鋰電池有望在性能、安全性等方面取得更大的突破，為人類的生活和社會的發展帶來更多的便利和貢獻。

四、鋰電池的應用領域

消費類：如消費電子、電動工具等，說明鈷酸鋰在消費類產品中的應用優勢。

在消費類領域，鈷酸鋰作為電池原料具有諸多優勢。安全性相對較高，一般情況下，聚合物電芯最多是鼓包、破裂和燃燒，沒有爆炸出現的直接破壞性強。容量較大，克容量達 100/115mAh/g。形狀靈活可變，能夠制造出扁平化的電芯或根據不同客戶需求定制不同形狀的電芯。充電速度快，放電電流相對平穩。重量較輕，無需硬殼保護。然而，鈷酸鋰也存在一些缺點，成本高，主要集中在難以降低的電解液上，制約了其發展。沒有固定型號，導致無法統一更換，失去市場持續性。山寨嚴重，市面上有很多以 18650 電芯扁平化后山寨成聚合物電芯的情況。能量密度較低，使得生產商為增加容量而拼命壓縮安全保護。

目前消費類電池主要應用于手機、筆記本電腦、智能可穿戴設備、電動工具等領域。以鋁塑膜為殼體的鋰電池在能量密度、電池外形的靈活性等方面具有優勢，因此消費類鋰電池多采用聚合物軟包的封裝形式。自 1991 年日本索尼公司發布全球第一款商用化鋰電池以來，消費電池歷經 30 多年的發展，產品技術趨于成熟。消費類鋰電池市場集中度較高，2022 年全球手機鋰電池 CR5 累計市占率超 75%。新興消費電子領域及 AI 技術推動筆電和手機換機潮，為消費電池創造巨大潛在需求。3C 消費電池主要采用鈷酸鋰 + 軟包的解決方案，鈷酸鋰因其容量較高、壓實密度大、循環性能穩定等優勢，成為消費電池主流解決方案。另外，消費鋰電池生產工藝中的疊片電池在能量密度、快充、續航等方面具有突出優勢，有望成為消費鋰電池的主流選擇。2024 年多家消費電池企業遠赴馬來西亞、越南等地投資建廠，完善全球化布局。

動力類：介紹磷酸鐵鋰和三元材料在電動汽車等動力領域的應用情況。

在動力類領域，磷酸鐵鋰和三元材料各有特點。磷酸鐵鋰具有壽命長、安全性好、成本低等優點，主要應用于商用車。其具有穩定的橄欖石結構，在充放電過程中結構變化較小，安全性高。同時，原材料來源廣泛，價格相對較低。

三元材料包括鎳鈷錳酸鋰（NCM）和鎳鈷鋁酸鋰（NCA）等，能量密度高、循環性能好、壽命較長，主要應用于乘用車。三元材料通過不同比例的鎳、鈷、錳（或鋁）組合，可以調節材料的性能。高鎳三元材料正在進一步從 8 系向超高鎳 9 系發展，大幅抬升了三元材料的進入門檻。

電車買三元鋰還是磷酸鐵鋰一直是消費者關注的問題。磷酸鐵鋰電池看似有一些不足，如質量不是很好、容易虧電、續航里程較短、維護難度大等。但它價格便宜，安全系數高，更容易回收，對溫度的適應性更高。三元鋰電池能量密度高，充電循環次數多，充電效率高，受溫度影響小，但成本高，對熱管理的要求更高。在實驗室測試環境下，短路的磷酸鐵鋰電芯基本不會發生起火的情況，而三元鋰電池則更容易起火。大眾新能源 ID3 搭載三元鋰電池電動車，也是兩廂后驅車型。目前新能源汽車有兩條主流的電池技術路線，磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池在新能源汽車領域展開競爭，各有優勢。

磷酸鐵鋰安全性高，穩定性好，耐高溫性強，即使在猛烈撞擊、針刺和短路的情況下，也不會釋出氧分子，不會產生劇烈燃燒。三元鋰電池能量密度更高，帶來空間性和續航能力的提升，但內部達到 250 - 300 攝氏度就會發生分解，容易發生爆燃情況，在熱管理上需要達到較高的要求。隨著技術的發展，磷酸鐵鋰電池的 “刀片電池” 技術極大提升了電池安全性和壽命，體積也縮小了 50%。國產特斯拉 Model 3 標準續航版配備的 “無鈷電池”，即不含鈷的磷酸鐵鋰電池，續航增加了 23 公里。

儲能類：闡述國內外在儲能領域對鋰電池材料的選擇和發展趨勢。

在儲能類中，國外主要采用三元材料，國內主要采用磷酸鐵鋰，尤其是梯次利用的磷酸鐵鋰。隨著國產磷酸鐵鋰 LFP 電池技術成熟、成本下降、安全性被驗證，國產磷酸鐵鋰 LFP 逐漸滲透到全球儲能市場。

從儲能市場的細分技術路徑來看，磷酸鐵鋰電池憑借其高安全性、低成本、使用壽命長等特點成為了儲能領域主要應用的鋰電池產品，具有顯著優勢。據公開信息顯示，磷酸鐵鋰電池占儲能鋰電池的比例已超過 90%，預計未來磷酸鐵鋰材料仍將是儲能領域的主要應用材料。此外，目前日韓儲能鋰離子電池正極材料體系主要采用多元材料，后續隨著三元材料技術的快速進步，電池產品的成本下降，三元鋰電池在儲能市場尤其是高效儲能領域的滲透率預計也將進一步提高。總體來看，磷酸鐵鋰及三元材料在儲能市場滲透率預計將繼續提升。

從全球視角來看，目前 5G 發展迅速，基站位于 5G 運行的最基本環節，儲能電池在此環節發揮著關鍵作用。磷酸鐵鋰電池以其高安全性、低成本、使用壽命長等特點成為儲能領域主要應用的鋰電池產品。未來隨著三元材料技術的進步和成本的下降，三元鋰電池在儲能市場的滲透率也將提高。

五、結論

鋰電池作為現代科技中不可或缺的能源存儲設備，其組成材料的獨特性決定了它在不同領域的廣泛應用和重要地位。

從組成材料來看，鋰電池的正極材料包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等，不同的正極材料具有各自的特點和應用場景，滿足了從消費電子到電動汽車等不同領域的需求。負極材料分為碳材料和非碳材料兩大類，各類負極材料在性能上各有優劣，為鋰電池的性能優化提供了多種選擇。隔膜以聚乙烯、聚丙烯為主的聚烯烴類隔膜，在保證電池安全和性能方面起著關鍵作用。電解液由高純度有機溶劑、電解質鋰鹽和添加劑組成，為鋰離子的傳輸提供了通道，確保了電池的正常充放電。

在不同領域中，鋰電池都發揮著重要作用。在消費類領域，鈷酸鋰在消費電子、電動工具等產品中具有安全性相對較高、容量較大、形狀靈活可變等優勢，雖然存在成本高、沒有固定型號、山寨嚴重等缺點，但隨著技術的發展，消費類鋰電池市場仍具有巨大的潛在需求。在動力類領域，磷酸鐵鋰和三元材料各有特點，磷酸鐵鋰主要應用于商用車，具有壽命長、安全性好、成本低等優點；三元材料主要應用于乘用車，能量密度高、循環性能好、壽命較長。在儲能類領域，國內外對鋰電池材料的選擇有所不同，國外主要采用三元材料，國內主要采用磷酸鐵鋰，尤其是梯次利用的磷酸鐵鋰。隨著技術的發展，磷酸鐵鋰及三元材料在儲能市場滲透率預計將繼續提升。

展望未來，鋰電池的發展前景十分廣闊。隨著新材料的研發，如固態電池的出現，有望提高鋰電池的安全性和能量密度。回收技術的進步將增強鋰電池的可持續性。更高的能量密度將進一步推動電動車和便攜式電子設備的發展。智能化管理也將提升鋰電池的使用效率和安全性。總之，鋰電池將在未來繼續為人類的生活和社會的發展做出更大的貢獻。

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時間 2024/12/06

審核編輯 黃宇