锂电池的研究进展论文

锂电池行业主要上市公司：宁德时代(300750);比亚迪(002594);国轩高科(002074);亿纬锂能(300014)等。

本文核心数据：全球锂电池细分市场结构、全球锂电池区域分布、全球锂电池企业市场份额、全球锂电池市场规模

全球锂电池细分市场：动力与储能锂电池的市场份额有望提升

锂电池的细分市场主要为动力锂电池、储能锂电池和消费锂电池，其中，动力电池的下游应用领域主要为新能源汽车，储能电池的下游应用领域主要为电力系统，消费电池的下游应用领域主要为手机等消费电子。

从全球锂电池产量来看，动力锂电池占据了主要的产量份额，达到了，其次是消费锂电池，锂电池产量市场份额为，储能电池的市场份额最小，为7%。随着全球各国“碳达峰”战略的提出，全球各企业纷纷部署动力电池与储能电池产线，新能源汽车与储能市场的蓬勃发展有望推动动力锂电池和储能锂电池的市场份额进一步提升。

全球锂电池区域分布：中国占比达77%，欧洲扩张加速

根据S&P Global Market Intelligence 公布的数据显示，从产能来看，2020 年，中国在主导了全球锂离子制造市场，中国锂离子电池产能占世界产能的约 77%，其次是美国，占比约为9%。

虽然，S&P Global Market Intelligence预计，中国将在 2025 年继续成为锂离子电池制造的领先国家，但随着欧洲对制造设施的计划投资，其产能将大幅扩大，2025年，欧洲有望在成为世界第二大锂离子电池生产国，约占全球产能的25%。

全球锂电池企业竞争格局：LG化学、松下、宁德时代占据70%的市场份额

从企业产量来看，2020年1月至8月， LG化学成为全球领先的锂离子电池制造商，市场份额为;其次是宁德时代，以左右的市场份额位居第二，松下以左右的市场份额紧随其后。

在排名前五的全球锂离子电池制造商中，中国企业达到两家，分别是宁德时代和比亚迪，市场排名为第二和第四，合计市场份额达到32%。

全球锂电池供给情况：电池工厂数量快速增长

2020年，全球处于不同规划建设阶段的锂离子工厂共有181家。在新冠疫情大流行的背景下，2020年全球锂离子工厂的扩建与上一年相比依然增加了50%以上。其中，2020年在建和规划的181家工厂中，有136家位于中国，其中大部分是世界上最大的锂离子工厂。

全球锂电池需求情况：2025年市场规模将翻番

根据Research and Markets调研数据显示，2020年全球锂离子电池市场价值约为405亿美元，预计2026年市场将以的GACR增长，达到近920亿美元的规模，超过2020年市场规模的一倍。

以上数据参考前瞻产业研究院《中国锂电池行业市场需求预测与投资战略规划分析报告》

锂电池材料构成四大主材：正极材料、负极材料、隔膜、电解液辅材：NMP、铜箔、铝箔、铝壳盖板、导电剂、粘结剂、其他（EMD）等。锂电池的性能与制造工艺息息相关，3C锂电池的制作工艺分为四道程序，一是极片制作，二是电芯组装，三是电芯激活检测，四是电池封装。电极制片又包括正极片和负极片制作，主要环节包括配料、搅拌、涂布、辊压、分切和极耳等步骤。极片制作是3C锂电池制作工艺的基础，电芯组装则关系着3C锂电池的性能，是核心工序。而电芯激活包含着电池的化成、分容和测试，是3C锂电池制作完成后关键性工序，电池封装工艺是3C锂电池制作的最后一步，关系着电池的成品质量。3C锂电池的化成、分容完成后，还需要对其进行性能测试，测试中可用弹片微针模组作为电流传输的媒介，能起到稳定连接的作用。3C锂电池的性能测试包括基本性能、安全性能、环境性能、电化学性能几大类，弹片微针模组在测试中可通过1-50A范围内的电流，过流能力强大，还有着平均20W次的使用寿命，可有效提高3C锂电池测试效率，保障测试高效安全进行。

稿源：cnBeta 美国能源部旗下 SLAC 国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员们，刚刚介绍了一种能够极大地恢复可充电锂电池效能的方法。对于电动 汽车 和下一代电子设备来说，这意味着相关产品的电池寿命可进一步延长。据悉，在经历了多次充放电循环之后，锂电池会在电极间形成不那么活跃的锂孤岛，从而降低电池的储能效果。 （图自：Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory） 好消息是，研究人员们发现，他们能够让“濒死”的锂岛向蠕虫一样前往其中一个电极、直至实现重新连接，从而部分逆转了不良衰减的过程。 由 2021 年 12 月 22 日发表于《自然》杂志上的这项研究可知 —— 通过引入这个额外的步骤，该团队得以将锂电池寿命延长近 30% 。 论文一作、斯坦福大学博士后研究员 Fang Liu 表示：“我们现正 探索 使用极快的放电步骤，来回复锂离子电池容量损失的可能性”。 如上图所示，但过一个失活的锂金属岛移动到电池的阳极（或负极）并实现重新连接时，它就能够恢复生机、用于电荷储存和为电子流动提供支撑。 下方动画展示了实验装置的原理，解释了“濒死”的锂岛是如何在电池充放电循环过程中，在阴阳（红蓝）两极之间来回蠕动的。 考虑到当前锂电池已被广泛运用于手机、笔记本电脑和电动 汽车 ，大量研究团队都在寻找重量更轻、寿命更长、安全性更高、充电速度更快的可充电电池方案。 其中一个发展方向是锂金属电池，在相同的单位体积重量下，它能够储存更大的容量、充电效率也更高。若得到普及，下一代电动 汽车 的重量和空间占用都可更少、或在同等电池体积下实现更长的续航里程。 不过无论固态或锂离子电池，它们都要用到带正电的锂离子在两极之间来回穿梭。随着时间的推移，一些金属锂会出现电化学惰性、形成不再与电极连接的锂孤岛，从而造成容量的损失。 有关这项研究的详情，还请移步至 2021 年 12 月 22 日正式出版的《自然》（Nature）期刊查看。 原标题为《Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations》。

 锂离子电池的组成简介 锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来。所以在介绍Li-ion之前，先介绍锂电池。举例来讲，以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是锂。电池组装完成后电池即有电压,不需充电.这种电池也可能充电,但循环性能不好,在充放电循环过程中,容易形成锂枝晶,造成电池内部短路,所以一般情况下这种电池是禁止充电的。后来，日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出， 又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。Li-ion Batteries就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以Li-ion Batteries又叫摇椅式电池。 锂离子电池电池组成部分 （1）电池上下盖 （2）正极——活性物质一般为氧化锂钴 （3）隔膜——一种特殊的复合膜 （4）负极——活性物质为碳 （5）有机电解液 （6）电池壳（分为钢壳和铝壳两种） 锂离子电池优缺点 锂离子电池具有以下优点： 1） 电压高，单体电池的工作电压高达，是Ni-Cd、Ni-H电池的3倍 2） 比能量大，目前能达到的实际比能量为100-125Wh/kg和240-300Wh/L（2倍于Ni-Cd，倍于Ni-MH）,未来随着技术发展,比能量可高达150Wh/kg和400 Wh/L 3） 循环寿命长,一般均可达到500次以上,甚至1000次以上.对于小电流放电的电器,电池的使用期限 将倍增电器的竞争力. 4） 安全性能好,无公害,无记忆效应.作为Li-ion前身的锂电池,因金属锂易形成枝晶发生短路,缩减了其应用领域：Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素：部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但Li-ion根本不存在这方面的问题。 5） 自放电小，室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为10%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。 6) 可快速充放电，1C充电是容量可以达到标称容量的80%以上。 7) 工作温度范围高，工作温度为-25~45°C，随着电解质和正极的改进，期望能扩宽到-40~70°C。 锂离子电池也存在着一定的缺点，如： 1） 电池成本较高。主要表现在正极材料LiCoO2的价格高（Co的资源较小），电解质体系提纯困难。 2） 不能大电流放电。由于有机电解质体系等原因，电池内阻相对其他类电池大。故要求较小的放电电流密度，一般放电电流在以下，只适合于中小电流的电器使用。 3） 需要保护线路控制。 A、 过充保护：电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命；同时过充电使电解液分解，内部压力过高而导致漏液等问题；故必须在的恒压下充电； B、 过放保护：过放会导致活性物质的恢复困难，故也需要有保护线路控制。 摘要：综述了锂离子电池的发展趋势，简述了锂离子电池的充放电机理理论研究状况，总结归纳了作为核心技术的锂电池正负电极材料的现有的制备理论和近来发展动态，评述了正极材料和负极材料的各种制备方法和发展前景，重点介绍了目前该领域的问题和改进发展情况。 材料 电子信息时代使对移动电源的需求快速增长。由于锂离子电池具有高电压、高容量的重要优点，且循环寿命长、安全性能好，使其在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广阔的应用前景，成为近几年广为关注的研究热点。锂离子电池的机理一般性分析认为,锂离子电池作为一种化学电源，指分别用两个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。锂离子电池是物理学、材料科学和化学等学科研究的结晶。锂离子电池所涉及的物理机理,目前是以固体物理中嵌入物理来解释的,嵌入（intercalation）是指可移动的客体粒子（分子、原子、离子）可逆地嵌入到具有合适尺寸的主体晶格中的网络空格点上。电子输运锂离子电池的正极和负极材料都是离子和电子的混合导体嵌入化合物。电子只能在正极和负极材料中运动[4][5][6]。已知的嵌入化合物种类繁多，客体粒子可以是分子、原子或离子．在嵌入离子的同时，要求由主体结构作电荷补偿，以维持电中性。电荷补偿可以由主体材料能带结构的改变来实现，电导率在嵌入前后会有变化。锂离子电池电极材料可稳定存在于空气中与其这一特性息息相关。嵌入化合物只有满足结构改变可逆并能以结构弥补电荷变化才能作为锂离子电池电极材料。 控制锂离子电池性能的关键材料——电池中正负极活性材料是这一技术的关键，这是国内外研究人员的共识。 1 正极材料的性能和一般制备方法 正极中表征离子输运性质的重要参数是化学扩散系数,通常情况下，正极活性物质中锂离子的扩散系数都比较低。锂嵌入到正极材料或从正级材料中脱嵌，伴随着晶相变化。因此，锂离子电池的电极膜都要求很薄，一般为几十微米的数量级。正极材料的嵌锂化合物是锂离子电池中锂离子的临时储存容器。为了获得较高的单体电池电压，倾向于选择高电势的嵌锂化合物。正极材料应满足： 1）在所要求的充放电电位范围内，具有与电解质溶液的电化学相容性； 2）温和的电极过程动力学； 3）高度可逆性； 4）全锂化状态下在空气中的稳定性。 研究的热点主要集中在层状LiMO2和尖晶石型LiM2O4结构的化合物及复合两种M（M为Co，Ni，Mn，V等过渡金属离子）的类似电极材料上。作为锂离子电池的正极材料，Li＋离子的脱嵌与嵌入过程中结构变化的程度和可逆性决定了电池的稳定重复充放电性。正极材料制备中，其原料性能和合成工艺条件都会对最终结构产生影响。多种有前途的正极材料，都存在使用循环过程中电容量衰减的情况，这是研究中的首要问题。已商品化的正极材料有Li1－xCoO2（0