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上期主要介紹了一些電池的基礎(chǔ)知識(shí)。這期主要講解一下鋰電池以及一些其他的主流二次電池。

鋰電池的歷史

首先看一下鋰電池的歷史。

1980年：作為鋰與氧化鈷的化合物的鈷酸鋰等鋰過(guò)渡金屬氧化物被提案為正極材料。

1981年：三洋電機(jī)申請(qǐng)了以石墨碳質(zhì)為負(fù)極材料的二次電池的zhuan利。

1982年：使用固體電解質(zhì)在石墨內(nèi)證實(shí)了鋰離子的插層反應(yīng)。

1985年：確立了負(fù)極材料為碳材料，正極材料為鈷酸鋰的鋰離子二次電池的基本概念。

1991年：世界上Shou個(gè)鋰離子電池商品化。

1999年：聚合物鋰離子電池商品化。

2008年：使用鈦酸鋰作為負(fù)極材料的SCiB被商品化。

2009年：磷酸鐵鋰離子電池商品化。

鋰離子電池從1980年到2009年之間發(fā)生了飛躍性的進(jìn)化。

那么近3年來(lái)它有什么變化呢？

2019年：被稱為鋰離子電池之父的吉野彰博士獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

2020年：搭載全固體電池的車輛于同年8月在公路上開(kāi)始實(shí)施試驗(yàn)行駛。

2021年：推出雙極結(jié)構(gòu)鎳氫電池市場(chǎng)。并且采用了硫化物系固體電解質(zhì)，開(kāi)發(fā)出特化了高電壓、高輸出的紐扣型全固體電池。

鋰離子電池的進(jìn)化可以說(shuō)是遙遙可期。

一、 鋰電池的主要種類及其特征

在這個(gè)部分主要介紹鋰電池的主要種類以及其特征。

1. 鎳酸鋰

理論電壓為3.6V，正常工作電壓為3.0V至4.2V。正極材料所使用的鎳酸鋰的鎳系鋰離子電池雖然容量很大，但由于安全性的問(wèn)題，所以很難實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。在鎳系中被稱為NCA系的類型進(jìn)行了提高安全性的加工并且實(shí)現(xiàn)了商品化，是被搭載至插電式混合動(dòng)力車輛中的電池。

2. 鈷酸鋰

理論電壓為3.6V，正常工作電壓為3.0V至4.2V。正極材料使用鈷酸鋰，負(fù)極材料使用的是石墨的鈷系鋰離子電池，是1991年世界上Shou次被商品化的鋰離子電池。作為結(jié)構(gòu)最為平衡的正極材料，雖然以移動(dòng)設(shè)備為中心被廣泛使用，但由于鈷的價(jià)格昂貴，并且價(jià)格變動(dòng)大，另外對(duì)于有熱失控危險(xiǎn)的車載的應(yīng)用上被認(rèn)為有安全性的課題。

3. 磷酸鐵鋰

理論電壓為3.2V至3.3V，正常動(dòng)作電壓為2.5V至3.65V。正極材料所使用的磷酸鐵鋰的磷酸鐵鋰系鋰離子電池主要由中國(guó)與美國(guó)的制造商所制造。磷酸鐵系即使在電池內(nèi)部發(fā)熱，結(jié)晶結(jié)構(gòu)也不容易崩潰、安全性高。由于是以鐵為原材料，所以與錳系相比可以更加便宜地進(jìn)行制造。但是缺點(diǎn)是，相對(duì)于其他鋰離子電池的額定電壓3.7V相比，磷酸鐵系就只有3.2V左右，并且能量密度低。

4. 錳酸鋰

理論電壓為3.7V至3.8V，正常動(dòng)作電壓為3.0V至4.2V。正極材料所使用的錳酸鋰的錳系鋰離子電池由于錳的價(jià)格便宜并且結(jié)晶結(jié)構(gòu)強(qiáng)硬、優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性與高安全性，所以被許多大型車載制造商采用至電動(dòng)汽車中等，成為了車載用電池的主流。

5. 三元鋰

理論電壓為3.7V至3.8V，正常動(dòng)作電壓為3.0V至4.2V。正極材料是使用鎳4、錳、鈷三元素化合物的電池，也可被稱為NMC (取各自的首字母)。通過(guò)混合從而提高安全性，與鈷酸鋰潔凈的構(gòu)造相似。與鎳和鈷相比，由于容量大所以也是一種平衡電池。

6. 鈦酸鋰

理論電壓為2.4V，正常動(dòng)作電壓為1.8V至2.85V。是一種負(fù)極材料采用鈦酸鋰的電池。與使用石墨的傳統(tǒng)鋰離子電池相比較，鈦酸系電池的壽命為6倍，并且可以在10分鐘內(nèi)進(jìn)行快速充電。與其他的鋰電池相比較，額定電壓為3.7V，鈦酸系為2.4V左右，能量密度較低。

二、二次電池風(fēng)向標(biāo)

這個(gè)部分介紹一些除了鋰離子電池以外，最近比較主流的二次電池。

1. 燃料電池

日前燃料電池為了實(shí)現(xiàn)以碳中和為目標(biāo)的氫社會(huì)，近年來(lái)不斷進(jìn)行研究。燃料電池是通過(guò)將氫與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而直接發(fā)電的電池。特別是可將水電解·燃料電池一體型電池的可再生能源組合的蓄電池技術(shù)也是最近備受矚目的技術(shù)之一。在FCV的領(lǐng)域中，也提出了2040年以后的開(kāi)發(fā)計(jì)劃，將目前堆棧性能3.0kW/L、0.6V在2040年之后提升至9.0kW/L、0.85V等各種課題。

2. 全固體電池

作為能超越液系電池而備受期待的全固體型鋰離子電池。正極材料使用鈷酸鋰，負(fù)極材料使用碳的鋰離子電池雖然沒(méi)有變化，但是在電解質(zhì)不是有機(jī)電解液而是無(wú)極固定電解質(zhì)這一點(diǎn)上卻是有很大的不同。作為液體類電解質(zhì)的有機(jī)電解液由于有機(jī)質(zhì)并且具有燃燒的性質(zhì)，所以必然伴隨著起火的風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)極固體電解質(zhì)大致分為氧化物系與硫化物系，但由于都是阻燃性的固體材料，所以可以將起火的風(fēng)險(xiǎn)大幅降低。與氧化物系相對(duì)比，硫化物系的電解質(zhì)顯示出更高的離子傳導(dǎo)性，因此可以期待更高的電池性能。但是由于硫化物與大氣中的水分反應(yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生硫化氫，所以在大氣中的穩(wěn)定性目前還存在一些課題。包括正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)、硫化氫等問(wèn)題。但是即使是還存在一些課題，但全固體電池依舊為了可以盡快實(shí)現(xiàn)實(shí)用化而不停進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。

3. 鈉電池

Intercalation等化學(xué)反應(yīng)的原理與鋰離子一樣，可以直接置換成鈉離子。由于鈉比鋰要便宜，并且在海水等中以鈉離子的狀態(tài)Wu窮無(wú)盡的存在，所以有助于降低材料費(fèi)還可保護(hù)環(huán)境。由于作為包含電解質(zhì)的無(wú)機(jī)質(zhì)，與安全性的提高相連，所以對(duì)于材料的研究目前也是熱火如潮的進(jìn)行中。

4. 空氣電池

正極活性物質(zhì)使用的不是稀有金屬而是空氣中的氧氣，因此也被稱為Zhong極的二次電池。同樣，由于在正極的電極部分吸氧，所以納米多孔石墨烯等特殊的電極將成為產(chǎn)品化的關(guān)鍵部分。空氣電池是空氣中的氧和鋰金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后而產(chǎn)生電力的開(kāi)放性電池，因此也被分類為燃料電池。通常的鋰離子電池與開(kāi)放型電池相比，被稱為密閉性電池。3年前日本的Softbank與物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)共同設(shè)立了Jian端技術(shù)開(kāi)發(fā)中心，面向2025年左右的實(shí)用化進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。

本文來(lái)源于KIKUSUI菊水

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