鋰離子充電電池地位穩(wěn)定，仍需改革前進(jìn)

鋰離子充電電池地位穩(wěn)定，仍需改革前進(jìn)

自1992年索尼公司實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化以來，憑借其高比能量、長使用壽命、無記憶效應(yīng)、安全、可靠且能快速充放電等優(yōu)勢，鋰離子電池已成為近年來新型電源技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)。鋰離子電池是綠色環(huán)保型無污染充電電池，符合當(dāng)今各國的能源環(huán)保需求，在各行各業(yè)的應(yīng)用迅速增加。目前，鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)以及MP3等電子產(chǎn)品中，大量取代了鎳鎘電池和鎳氫電池，在這類應(yīng)用中獨(dú)占九成之多。此外，鋰離子電池近年在電動汽車等一些大功率電池方面也開始進(jìn)入實(shí)用化。
　　2000年以前，日本在鋰離子電池方面獨(dú)霸世界，產(chǎn)量約占全球95% 以上。近年來，隨著中國(包括***地區(qū))和韓國的迅速崛起，日本一支獨(dú)秀的格局已被逐漸打破。目前日本鋰離子電池的市場份額已跌到60%以下，大體形成三分天下的格局。2008年雖遭遇全球性的金融風(fēng)暴，但充電電池?zé)o論出貨量、銷售額均比上年還有所增長，不過今年仍將是嚴(yán)峻的一年。未來，各種電動車輛的迅速發(fā)展勢將成為鋰離子電池前進(jìn)的重要驅(qū)動力量。
鋰離子電池地位不可動搖
　　1989年，小容量的紐扣型鋰電池實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化。但在1989年夏連續(xù)發(fā)生了多起采用鋰電池的手機(jī)因過熱而起火的事故后，1990年初，業(yè)界對于采用鋰材料的圓筒形充電電池的實(shí)用化前景持消極態(tài)度。然而，索尼旗下專門制造電池的索尼能源技術(shù)(Sony Energy Tech)公司勇敢打破僵局，于當(dāng)年2月宣布鋰離子充電電池達(dá)到了實(shí)用水平。
　　鋰電池引起事故的原因是其將金屬鋰用作負(fù)極材料，在反復(fù)充放電后，負(fù)極會形成樹枝狀晶體，使正負(fù)極間發(fā)生短路，從而引發(fā)冒煙起火等狀況。而鋰離子充電電池則在正負(fù)兩極都不采用金屬鋰，其正極采用LiCoO2(鈷酸鋰)合金材料，負(fù)極采用焦炭類碳材料。這確保了電池的安全性，從而實(shí)現(xiàn)了圓筒型鋰電池。
　　但是，實(shí)用化之初的鋰離子電池的性能并沒有明顯優(yōu)于當(dāng)時的主要競爭產(chǎn)品——鎳氫充電電池(見表1)。例如，1993年初的鋰離子充電電池單位體積的能量密度為220Wh/L(此為直徑18mm×長65mm的圓筒型電池的數(shù)值，下同)，僅比鎳氫電池的180Wh/L 高約20%。而且，鋰離子充電電池還有很多缺點(diǎn)，如“與干電池之間沒有電壓兼容性”、“充電控制困難”、“內(nèi)阻高，無法以大電流充放電”、“難于并聯(lián)，很難實(shí)現(xiàn)大容量電池組”等。

但是，手機(jī)和攝像機(jī)等廠商對鋰離子充電電池重量較輕的特點(diǎn)情有獨(dú)鐘。按單位重量的能量密度而論，鋰離子電池比鎳氫充電電池約高一倍，可達(dá)115Wh/kg。也就是說，在相同的能量容量下，鋰離子電池組的重量可減輕約一半。因此，在便攜設(shè)備廠商的特別青睞下，1991年后采用鋰離子充電電池的產(chǎn)品相繼上市，并十分走俏。此后，松下電池工業(yè)公司于1992年，日本電池公司于1993 年，三洋電機(jī)、日立以及加拿大Moli Energy(1990)于1994年相繼投產(chǎn)，確立了鋰離子充電電池在便攜電子設(shè)備市場上不可動搖的地位。
提高安全性避免事故再次發(fā)生
　　1990年以后，鋰離子充電電池基本上一直沿著高密度和確保安全性這兩條主線而發(fā)展。為了推進(jìn)產(chǎn)品的小型輕量化，便攜電子設(shè)備廠商強(qiáng)烈要求提高電池的能量密度。但是，密度越高，起火冒煙的危險(xiǎn)性也就越高。事故絕對不可以再次發(fā)生！1989年夏的起火事故在電池技術(shù)人員的心里揮之不去：如果再發(fā)生事故，采用鋰材料的充電電池將前途盡毀。
　　為此，在鋰離子充電電池實(shí)用化之初，電池廠商便對其實(shí)施了被稱為“過保護(hù)”的嚴(yán)格安全對策。為了在電池因誤操作而陷入過放電/過充電的狀態(tài)時也能確保安全，廠商為電池配置了三種安全結(jié)構(gòu)：PTC(正溫度系數(shù))熱敏電阻、安全閥、隔膜。圖1給出一種安全電路示例，當(dāng)檢測到異常的溫度上升時，能夠以電氣方式切斷電池單元的負(fù)載，避免發(fā)生危險(xiǎn)。

　　此外，開發(fā)手機(jī)、攝像機(jī)、筆記本電腦的設(shè)備廠商也為確保電池安全性發(fā)揮了重要作用。當(dāng)時，所有設(shè)備廠商都設(shè)立了負(fù)責(zé)驗(yàn)收的測試方案，如釘刺試驗(yàn)，高溫/低溫工作試驗(yàn)，以及在平底鍋內(nèi)進(jìn)行的加熱試驗(yàn)等。設(shè)備廠商會在一系列試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上向電池廠商提出現(xiàn)存問題，在如何改進(jìn)電池單元的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)安全電路等方面提出了不少意見。在這樣艱苦努力的緊密合作下，到20世紀(jì)初期的這段時間內(nèi)，鋰離子充電電池再沒有發(fā)生大的事故，市場發(fā)展非常順利。
改進(jìn)材料提高性能

加強(qiáng)了安全保護(hù)后，鋰離子充電電池的能量密度不斷提高。1990年實(shí)用化之初，鋰離子電池單位體積的能量密度不過190Wh/L；到了19年后的2009年，這一數(shù)值提高了約4倍，達(dá)到740Wh/L(見圖2)。但同期，微處理器的時鐘頻率提高了100多倍，DRAM的容量更是增大了250倍。因此，充電電池還屢屢被指為進(jìn)步太慢。

　　能量密度的提高基本上依靠的是正負(fù)極材料的改進(jìn)、電池結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及制造工序的改良等小改小革而完成的。19年中出現(xiàn)過3次材料的大變革，一次次加快了能量密度的提高速度。第1次發(fā)生在1994年~1995年間，負(fù)極材料從焦炭類碳材料變?yōu)槭愄疾牧?，這一變革使能量密度提高了約20%。在隨后的8~9 年，一直維持了正極采用LiCoO2、負(fù)極采用石墨類碳材料的組合。第2次變革發(fā)生在2002 年~2003年間，正極材料由LiCoO2變?yōu)長iCoO2 和Li(Ni-Co-Mn)O2的混合材料，能量密度提高了約10%。

　　目前正處于第3次變革期。這次又是負(fù)極材料的改革，候選材料包括硅類合金、錫類合金和金屬鋰三類(見圖3)。其中錫類合金已進(jìn)入實(shí)用化。索尼公司從2005年春以后推出的攝像機(jī)電池組中已開始采用此類材料。14mm(直徑)×43mm(長)的電池單元的單元體積能量密度可達(dá)到478Wh/L，比采用傳統(tǒng)材料的電池增加約20%。

　　2007年1月，松下電器產(chǎn)業(yè)和松下電池工業(yè)通過采用某種合金材料作為負(fù)極材料，成功實(shí)現(xiàn)了高達(dá)740Wh/L的單位體積能量密度。公司沒有透露此合金材料的具體情況，直到今年3月尚未量產(chǎn)，但預(yù)計(jì)近期或?qū)⒏吨T實(shí)用。此外，將硅類合金和金屬鋰用作負(fù)極從而大幅提高能量密度的電池產(chǎn)品也正在試制過程中。
繼續(xù)前進(jìn)
　　2006年以后，筆記本電腦和手機(jī)等產(chǎn)品中所采用的鋰離子充電電池再次發(fā)生異常發(fā)熱事故，潛伏起火危險(xiǎn)。索尼、松下電池工業(yè)、三洋電機(jī)等電池廠商都曾大量回收電池組。原因有說是在制造過程中混入了金屬粉末，有說是設(shè)備廠商在充放電管理方面處理不當(dāng)。而設(shè)備廠商則直面反駁，發(fā)生相互推諉之事。
　　其實(shí)，真正的原因尚未查明。為今之計(jì)，應(yīng)徹底探明原因，認(rèn)清“事故再起，前途盡毀”的嚴(yán)重性，學(xué)習(xí)雙方前輩技術(shù)人員為確保安全而不惜代價(jià)的費(fèi)時盡力開發(fā)的精神，攜手合作，