锂离子电池

100–265 W·h/kg250–730 W·h/L400–1500 充电周期锂离子电池（Lithium-ion battery）是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。锂离子电池使用一个嵌入的锂化合物作为一个电极材料。目前用作锂离子电池的正极材料主要常见的有：锂钴氧化物（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、镍酸锂（LiNiO2）及磷酸锂铁（LiFePO4）。 该领域的重要进展是约翰·古迪纳夫，斯坦利·惠廷厄姆，拉奇德·雅扎米（英语：Rachid Yazami）和吉野彰于1970年代开始并发展到1980年代，1991年，Sony和Asahi Kasei达成了商业化的共识。古迪纳夫，惠廷厄姆和吉野彰因开发锂离子电池而获得了2019年诺贝尔化学奖。这些锂离子电池与其发展产品是在消费电子领域常见的。它们是便携式电子设备中可充电电池最普遍的类型之一，具有高能量密度，无记忆效应，在不使用时只有缓慢电荷损失。除了消费类电子产品，越来越进步的锂离子电池也越来越普及，可用于军事，纯电动汽车和航空航天应用。例如，磷酸锂铁电池正在成为铅酸蓄电池的一种常见的替代蓄电池，在历史上铅酸蓄电池用于高尔夫球车和多用途车，但这种高效的新型电池已经能够突破旧有锂电池与铅酸电池的各种缺点，达成全面替代的目标。此外，锂离子电池容易与下面两种电池混淆：1970年代在埃克森工作的，而现在在宾汉顿大学工作的斯坦利·惠廷厄姆最早提出锂离子电池。他采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂离子电池。电池使用金属锂会存在安全隐患，因为锂是一种高度反应性的元素；由于在正常大气条件下水和氧的存在，锂会燃烧。其研究结果是，把研究方向转移到寻求用锂化合物代替金属锂且仍能够接受和释放锂离子。1991年Sony成功开发锂离子电池。它的实用化，使人们的移动电话、笔记型电脑等携带式电子设备重量和体积大大减小，使用时间大大延长。由于锂离子电池中不含有重金属镉，与镍镉电池相比，大大减少了对环境的污染。随着开发的进展，锂离子电池的性能和容量继续提高。现在3C产业常提到的锂离子电池其实是钴酸锂电池，广义的可充放锂离子电池是指由一个石墨负极，一个采用钴、锰或磷酸铁的正极，以及一种用于运送锂离子的电解液所构成。而一次锂离子电池则可以锂金属或者嵌锂材料作为负极。锂离子电池产业发展20多年来一直集中在3C产业为主，较少应用在市场经济规模更大的储能和动力电池（瞬间需要较大电流）市场，该市场涵盖纯电动车、油电混合车、中大型UPS、太阳能、大型储能电池、电动手工具、电动摩托车、电动自行车、航空航天设备与飞机用电池等领域。主要原因之一是过去锂电池采用的钴酸锂正极材料（LiCoO2，就是现在最常见的锂离子电池）成本较高，并且难以应用在耐受穿刺、冲撞和高温、低温等条件等特殊环境。更重要的是，因无法满足人们对安全的绝对要求而饱受诟病。同时，钴酸锂电池也无法达到快速充电与完全避免二次污染等目的，而且，一定要设计保护电路以防止过度充电或过度放电，否则就会造成爆炸等危险，甚至出现如Sony电池爆炸导致全球品牌NB业者投下钜资回收的情况。另外，钴的价格愈来愈高昂，全球钴矿最大生产国刚果，战乱纷扰多，导致钴矿价格不断升高。钴酸锂电池的粉体因钴矿价格不断上涨，现在已从原先的每公斤40美元涨价到60~70美元。磷酸锂铁粉体依品质好坏，每公斤售价在30~60美元。这20年来，各国产学界早已投入无数的研发人力与资源，不断寻找能够取代或解决LiCoO2问题的新材料，因为，据统计，全球动力与储能电池市场的经济规模总量每年高达500亿美元，远大于钴酸锂电池每年55~60亿美元的胃纳量。从2006年7月至今，包括投入能源储存设备的Deeya Energy，发展薄膜锂电池的Infinite Power Solution，看好新世代锂离子电池─磷酸锂铁电池产业（LFP，Lithium Ferrous Phosphate）的美国A123 Systems（英语：A123 Systems）、台湾Aleees和加拿大Phostech Lithium（英语：Phostech Lithium）等业者，快速从全球创投和其他资金来源募来超过3亿美元的资金。因此，锂离子电池广泛应用于消费电子产品、军用产品、航空产品等。现在常见的圆柱型锂离子电池规格分别有26650/21700/18650/17670/18500/18350/17500/16340/14500/10440，前两位数表示电池直径（单位：毫米），第三、第四位数表示电池长度（单位：毫米），第五位数代表电池外观形状(0：代表电池外观为圆柱型)，以18650电池为例，其直径是18毫米，长度是65毫米，外观为圆柱型。14500电池尺寸接近AA电池（台规三号电池、中国大陆五号电池），10440电池则接近AAA电池（台规四号电池、中国大陆七号电池）。另外电池正极形状也分为平头与尖头，平头电池全长即标准尺寸，而尖头全长则要再增加约0.5毫米。正极材料的选择决定了电池的容量、安全性和老化特性。其中钴特别提供了极佳的容量和老化特性，但与其他的材料相比，钴的安全性就差了些。“LiNiO2”（镍锂电池）、 “LiNi0.8Co0.2O2”（镍钴锂电池）、 “LiMn2O4”（锰锂电池）、 “LiNi0.3Co0.3Mn0.3O2”（三元电池） 磷酸铁（LFP）锂电池镍钴锂电池是镍锂电池和钴锂电池的固溶体（综合体），兼具镍锂和钴锂的优点，一度被产业界认为是最有可能取代钴锂电池的新正极材料，但安全性还无法有更大突破。因此，全球相关业者的主要发展集中在基于锰或磷酸铁的正极以提升其安全性，但提高安全性的代价是电池容量略有下降，且使电池的老化速度加快。锂镍电池的成本较低且电容量较高，不过，制作过程困难且材料性能的一致性和再现性差，最严重的是依然有安全性问题。磷酸铁锂电池则同时拥有钴锂、镍锂和锰锂的主要优点，但不含钴等贵重元素，原料价格低且磷、锂、铁存在于地球的资源含量丰富，不会有供料问题，而且，工作电压适中（3.2V）、电容量大（170mAh/g）、高放电功率、可快速充电且循环寿命长，在高温与高热环境下的稳定性高，是目前产业界认为较符合环保、安全和高性能要求的锂离子电池。不过，磷酸铁（LFP）锂电池压实密度相对较低、低温性能欠佳，放电电压过于平稳造成难以估计余电量，并且正极材料存在专利争议。目前主要的3种技术和化合物分别由全球3家业者掌握，包括源自美国德州大学的LiFePO4，以及另外两种Nanophosphate和NanoCocystallineOlivine（NCO）。磷酸铁锂电池的规格分别为1、2、3、5、7号，其中5、7号最常见，5号磷酸铁锂电池规格同等AA电池，7号则同等AAA电池。单一枚锂离子电池的充电过程分两阶段：多枚串联锂离子电池的充电方法较为复杂，分3个阶段：和所有化学电池一样，锂离子电池也由三个部分组成：正极、负极和电解质。习惯上，锂离子进入正极材料的过程叫“嵌入”，离开的过程叫“脱嵌”；锂离子进入负极材料的过程叫“插入”，离开的过程叫“脱插”。正极半反应是：负极半反应是：总体反应有局限性。过放电supersaturates锂钴氧化物，导致产生的氧化锂，可能是由以下的不可逆反应：锂离子电池中的电解液可以是凝胶体、聚合物（锂离子/锂聚合物电池）、或凝胶体与聚合物的混合物。因为目前尚未发现能够在室温条件下有效运送锂离子的聚合物，所以大多数的“塑胶封袋”锂离子/ 锂聚合物电池事实上都是结合凝胶体和聚合物的混合型电池。正极或负极必须具有类似海绵的物理结构，以释放或接收锂离子。在放电时，锂离子从负极材料移出至电解液，再像水进入海绵一样地进入正极材料，这个过程被称为嵌入(Intercalation)。充电的过程则完全相反。