锂离子电池

锂离子电池（ Lithium -ion Battery ,LIB）作为二次电池（可充电电池）的代表，是目前应用最为广泛的电池。锂离子电池通常由正极、负极、隔膜、电解液、外壳等组成，循环时依靠锂离子通过内电路在正极与负极之间的嵌入和脱嵌以及电子在外电路的往返来实现充电与放电。根据正极材料、包装以及用途都可对其分类，锂离子电池在长期的充放电循环下，内部会产生一系列的副反应，包括析锂、固体电解质界面（ SEI ）膜生长等，降低电池的容量，当电池容量降低至初始容量的80%时，即定义为电池一次寿命的终结。其特点是比能量高、寿命长、工作电压高、使用温度范围广、无记忆效应、自放电小以及对环境友好，因此广泛应用于新能源汽车、电网储能以及便携式电子设备等领域中。

发展历史

20世纪50年代美国国防部和美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration， NASA ）以金属氟化物为正极、锂金属为负极研究高能量密度的电池，但由于锂枝晶等原因性能并不理想。

20世纪70年代，美国埃克森美孚公司（Exxon Mobile）的惠廷汉姆（Whittingham）领导科研团队发现锂离子可以再中极快速的迁移，进而首次设计出了正极为，负极为锂金属的锂电池，虽然其不稳定且能量密度较低，但依旧使用了40年之久。

1980年，美国得州大学奥斯汀分校机械工程系约翰·古迪纳夫（Goodenough）团队从材料中优选出作为正极材料，4V的高电势提高了能量密度，但负极材料仍然是锂金属。

1982年，伊利诺伊理工大学的研究者阿加瓦尔（Agarwal）和塞尔曼（Selman）发现了锂离子能够嵌入石墨矿，且能够改善之前锂电池的安全性，贝尔实验室研制成功了首个可用的锂离子石墨电池。

1990年日本索尼正式将以石墨材料为负极，含锂化合物为正极的锂电池商业化，并区分于锂负极的锂电池，正式命名其为锂离子电池。

1996年，约翰·古迪纳夫团队发现具有橄榄石结构的磷酸铁锂（）作为正极材料更具安全性，耐高温、过充，目前已成为主流的电池正极材料获得了广泛的应用。

21世纪以后，在科学家们的努力下，更高比容量的三元系正极材料陆续出现，含不同比例Ni、Co、Mn、Al的过渡金属氧化物陆续出现，推动了锂离子电池的发展。

2019年，诺贝尔化学奖颁发给了在锂离子电池发展的历史长河中做出突出贡献的古迪纳夫、惠廷汉姆以及日本研究者吉野（Yoshino）教授。

工作原理

锂离子电池，作为一种电化学储能装置，其工作过程是电能和化学能相互转化的过程，其本质是一种浓差电池，又被称为“ 摇椅式电池”，当电池充电时，外部施加的电压使正极中的锂离子脱嵌，经过电解液穿过隔膜流向并嵌入负极，同时为了保持电中性，正极的电子也经过外电路流向负极，随着锂离子不断从正极材料中脱嵌，又嵌入负极，正极电势不断升高，负极电位不断降低，导致电池电压（正极电位减去负极电位）不断升高直至达到充电截止电压。

当电池施加外部负载进行放电时，由于正、负极之间的电压，锂离子从负极脱嵌，经过电解液通过隔膜又流向并嵌入正极，随锂离子的脱出负极电位逐渐增加，正极电位不断降低，使电池电压不断降低，负极电子也经过外电路流向正极，直至达到放电截止电压，工作原理如下图所示。

对于正极材料为钴酸锂，负极材料为石墨矿的锂离子电池，电池充放电过程中内部发生电化学反应的方程式如下（向右为充电，向左为放电）。

正极反应：

负极反应：

总反应：

理想情况下，锂离子的嵌入和脱嵌不会对活性材料的结构造成影响，因此，理想情况下该反应是可逆的。组成结构

正极

锂离子电池的正极由正极活性材料、粘合剂、导电剂和集流体组成，正极活性材料是最重要的组成部分，其提供了电池循环时所需要的锂离子，不仅要参与电池内部发生的电化学反应，嵌入和脱嵌锂离子，还要进行电子的传输以保持其电中性。同时，由于负极的实际克容量要大于正极材料的实际克容量，电池设计时需要使两极容量保持一致，正极材料必须占有更大比例，正极材料的性能和成本很大程度的影响着电池整体的性能和成本。

正极活性材料：电池的输出电压和可用容量决定了电池所能够储存的能量，为了尽可能提高电池性能以及寿命，正极活性材料需要满足以下要求：

常用的正极材料包括：钴酸锂（）、锰酸锂 ( )、磷酸铁锂（）以及三元系正极材料钴锰酸锂（，x，y，1-x-y分别为Ni，Co，Mn的比例，若x=8，y=1，根据比例简称NCM811）和镍钴铝酸锂（，简写为NCA）。

负极

锂离子电池的负极由负极活性材料、粘合剂、导电剂和集流体组成，负极活性材料是最重要的组成部分，与正极活性材料相似，需要参与锂离子的嵌入与脱嵌、电子的传输，但电池刚组成时，负极不含锂离子。理想的负极活性材料需要满足以下要求：

自1990年索尼商业化生产以来，大规模商业化应用的负极材料就一直是石墨矿，石墨具有着完整的层状晶体结构，还有着成本较低、结构稳定性高、无毒性、导电性好、机械性能好等等各个方面的优点。在许多应用场景都能取得较好的效果。

但随着行业对电池性能要求的进一步提高，石墨负极锂离子电池在大功率设备中应用时，存在功率低、安全性差等缺点。在科研以及高新产品领域，已经出现了新一代锂离子电池负极材料，以满足对大功率应用电池的需求。2005 年，索尼公司推出了技术安全且低成本的 Sn/Co/C 的非晶/ 纳米晶体复合物负极材料，稳定可逆容量可高达450mA·h/g，推动了一系列新型负极材料（硅基材料、钛基材料、金属氧化物和硫化物）的快速发展。

隔膜

锂离子电池内部的隔膜通常有两个作用：

常用的隔膜材料一般为聚烯烃系没药树，如 celgard 2400隔膜为PP（聚乙烯）/PE（聚丙烯）/PP三层微孔隔膜。

电解液（质）

电解液 (质)的作用是在电池电化学反应过程中在正、负极之间完成离子的传输。由于锂离子电池负极电势与锂接近，比较活泼，在水溶液体系中不稳定，因此锂离子电池电解液 (质)使用非水、非质子有机溶剂作为离子的载体，电解液需要有足够的电导率、热稳定性、化学稳定性以及成膜特性，还应满足低成本、易制备、环境友好的特性。

锂离子电池常用的电解液（质）为的碳酸亚乙酯（EC）/ 碳酸二甲酯 (DMC)混合溶剂。

外壳

外壳的主要作用是作为电池的容器，保护电池内部材料，由于锂离子电池在实际应用时经常会受到外部压力的作用，需要通过外壳增加电池机械强度，避免电池内部材料的变形（尤其是隔膜，刚度最低），影响电池的安全和寿命，通常选用优质铝材作为电池外壳材料。不同类型锂电池的外壳电极属性存在差异：方形磷酸铁锂电池的铝制外壳通常带正电，这一设计主要是为了防止铝壳在电池工作过程中发生腐蚀，保障电池的稳定性和使用寿命。

优缺点

优点

工作电压高：锂离子电池的工作电压高达3.6V，是镍铬、镍氢电池的3倍，铅酸电池的2倍。

能量密度大：锂离子电池的工作电压高，且锂密度低，因此锂离子电池的质量能量密度（200Wh/kg）和体积能量密度（350Wh/L）都很大，是铅酸电池（50-70Wh/kg）的3倍。

自放电率低：当锂离子电池不施加外部负载时，内部自发反应引起的容量下降较低。

循环寿命长：锂离子电池在实际应用中可实现1000次以上的循环充放电。主流类型电池的性能数据显示：磷酸铁锂电池的循环寿命通常为2000-4000次，在家庭使用场景下的使用寿命约为10-15年；三元锂电池的循环寿命约为1000-2000次，使用寿命约为8-12年。

无记忆效应：不会由于未放完电就充电导致电池容量下降。

工作温度范围宽： -20℃-60℃。

缺点

成本较高：是同容量的铅酸电池价格的3-4倍。

低温性能差：采用有机溶液作为电解液，使其低温性能受限，低温充电易在负极产生额外的过电位，引起析锂的发生，影响电池寿命和安全。

过充电性能差：充电电压超过一定值，电解质、电极活性材料等由于热稳定差会发生分解，释放大量热，影响电池安全。

安全性较差：能量密度高导致其故障瞬间释放大量能量，容易引起爆炸等剧烈的安全事故。

老化机理

锂离子电池的老化是其循环老化和日历老化（长时间搁置）综合影响的结果，是一个非常复杂且长期的过程，内部许多类型的物理、化学过程都会导致电池的老化，包括固体电解质界面膜（SEI）形成、析锂等等。

SEI生长

在电池第一次充电（化成）过程中，会在负极与隔膜的界面消耗10%的锂形成初始的SEI膜，之后在电池的整个生命周期内经历构成、生长、分解和再生的循环过程，SEI膜是锂离子与电解质中多种组分发生的一系列反应的产物，会造成可循环锂的减少从而降低电池容量。

析锂

当电池处于低温、高倍率、过充的工况，负极对锂电位降低至0V以下时，一部分锂离子仍然正常的嵌入石墨矿，另一部分锂离子则会在石墨表面以锂金属的形态析出，即析锂，不仅会引起可循环锂的减少，析出的锂还会以树突状生长，可能刺穿隔膜，引起严重的安全隐患——内短路。

安全故障

锂离子电池作为一个高比能量的储能设备，由于制造过程中材料本身、结构设计的缺陷，本身存在着一定的危险。电池的工作环境也非常复杂，除了频繁的碰撞，振动和冲击，电池系统在工作时还会释放大量的热，这都会造成一些安全隐患。锂离子电池的安全性失效模式包括内短路、外短路、过充/过放等等。

内短路

电池的内短路指的是当电池的正负极材料在电池内部形成电连接、由于电压引发放电并且伴随着大量的热释放的现象，电池内短路时，电池中大量的能量会在很短的时间内被释放出来，使电池快速升温，甚至引起电池的爆炸。

外短路

与内短路不同，电池的外短路是指电池外部的正、负极极柱直接形成电连接，电池通过极小的电阻进行放电，使电池内储存的化学能以热能的形式散出，使电池快速升温，但相比内短路峰值温度更低。外短路通常是由电池系统的碰撞变形、水浸和连接故障导致的。

过充/过放

过充（过放）指的是在电池充满电（放空电）后仍然继续给电池充电（放电），快充（放）、充（放）电后期大倍率充（放）电都可能导致过充（放），轻微的过充（放）仅会导致电池可用容量的略微下降，长时间的过充（过放）则会影响电池的安全。

安全事宜

锂离子电池在正常使用过程中不会对人体和环境造成危害，但在报废时如果不正常预处理（放电、拆解、粉碎、分选）就会对环境造成危害，进而影响到周边的生物和人体。

锂离子电池活性材料中的钴、电解液中的六氟磷酸锂以及隔膜中的聚丙二乙烯等会对环境造成有机污染，在废弃时需要先将其放至空电，拆解回收塑料以及铁外壳，对电极材料进行碱浸出、酸浸出，之后在进行萃取，电池中的电解质、电极液及一些转化、水解产物（六磷酸锂、氟化氢、甲醇、甲酸等）都需要送至有资质的地方进行统一解决，不能随意丢弃，关键电极材料的回收不仅能够降低对环境的污染，还能减少对锂、钴等资源的依赖，有着重要的社会意义和经济意义。

锂离子电池通常在其容量下降至80%时即为一次寿命的结束，但若将其直接报废，会造成严重的资源浪费，可以通过梯次利用来让电池在多个应用场景下得到长期的利用。电池出厂后，首先在电动汽车上应用，一次寿命结束后，可以将其应用在对功率要求不高的电网储能系统中，一方面延长电池使用寿命，另一方面降低电池的成本。

应用领域

汽车领域

为了响应国家的双碳政策，解决能源短缺以及环境污染的问题，汽车行业需要实现从燃油车向电车的转型，锂离子电池以其高能量密度、高工作电压、长循环寿命等优点，无论是在电动小汽车上还是在电动公交车上得到了广泛的应用，尤其是磷酸铁锂电池和三元系电池。

电网储能领域

为了进一步降低对不可再生能源（煤、石油、天然气）的依赖，可再生能源（风能、太阳能等）的发电受到了广泛的关注，但这些可再生能源发电存在着一定的波动性和间歇性，不能直接将获取的电能传输到电网上，会造成电网的波动，因此需要通过储能电池储存一部分可再生能源转换的电脑，在电网侧负载较高时供给电能，实现电网的调频与调峰。

储能电池对于能量密度没有直接的要求，但不同的储能场景（调频、调峰）对电池的功率密度有要求，长寿命、高能量转换效率的锂离子电池可以担此重任。

便携式电子设备领域

近年来，随着互联网、物联网、大数据等技术的兴起，出现了越来越多的电子设备，便利了居民的生活，各种智能手机、MP3、MP4、摄影机、遥控器、儿童玩具等电子设备都出现了锂离子电池的身影。

发展趋势

中国作为全球锂离子电池发展最活跃的地区，锂离子电池市场规模逐年增长，新能源汽车是带动锂离子电池快速增长的最大引擎，储能市场对锂离子电池的需求也有望提速，除满足国内需求外，也将批量出口到欧美、澳洲、东南亚等地。

全球各国都高度重视锂离子电池行业的发展，日本的松下电器企业以及韩国的LG新能源作为仅次于中国宁德时代的两大锂离子电池的巨头制造商期望着占据更高的市场份额，欧洲委员会于2018年5月发布的《电池战略行动计划》提出了一项电池技术未来十年的长期研究计划——“ BATTERY 2030+”。其愿景是发明未来的电池，为欧洲工业创造颠覆性技术和整个价值链的竞争优势。 BATTERY 2030+将通过跨学科研究方法，利用人工智能、机器人技术、传感器和智能系统等先进技术，追求超高性能、可靠、安全、可持续和价格合理的电池。

根据工信部发布的《节能与新能源汽车技术路线图》，2030年动力电池的能量密度目标为500Wh/kg，目前能量密度最高的NCM三元电池能量密度仅为250-300Wh/kg，提高三元中镍的含量有望进一步提高能量密度，但却同时会影响其安全性，如何在不影响其安全性的前提下提高能量密度是一个有待解决的重要问题。冬季低温电池性能差一直是锂离子电池的一个痛点，研发能够适应低温环境的全气候电池也是未来锂离子电池的一个发展方向，同时还要尽可能提高其循环寿命、降低其成本，这些都是未来的研究热点。

2025年7月28日，国家认监委制定的《强制性产品认证实施规则移动电源、锂离子电池和电池组（试行）》发布，该规则自2025年8月15日起实施，相关指定认证机构应当依据新版规则和强制性产品认证通用实施规则要求，制定对应的认证实施细则，向国家认监委备案后方可按照新版规则实施认证并颁发认证证书。

2025年4月25日，为加强锂离子电池全生命周期的安全与质量管理，国家市场监督管理总局（国家标准委）批准发布《锂离子电池编码规则》国家标准，于2025年11月1日起实施。该标准赋予每个新生产电池产品唯一身份编码，适用范围覆盖从单体电池到电池系统的全层级产品。