用于制造汽车锂电池的材料

电动汽车（EV）的快速发展增加了对用于制造锂电池的原材料的需求，因此必须从原始矿物中获取原材料--这就带来了环境和社会问题。

锂电池的化学成分因其可存储能量的多少和可充电次数的不同而各异，因此选择一种适合您特定应用的锂电池至关重要。

锂离子化学

锂离子电池已迅速成为手机和笔记本电脑等消费电子产品的首选技术之一，混合动力汽车也越来越普遍地使用锂离子电池。与传统电池技术相比，锂离子电池的高能量密度使其能够在更小的空间内储存更大的能量。

如果按照特定的安全准则操作，锂离子电池也可以安全使用。虽然其起火风险低于锂金属电池，但处理不当仍会带来危险。

锂离子电池通过插层和萃取进行工作，锂离子在阳极和阴极之间来回移动，形成一种由碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯等非水性溶剂组成的电解质溶液，将两者包裹起来。由于锂与水有很强的亲和力，因此水分绝对不能进入这种电池。

放电发生时，锂离子从阳极移动到电解质溶液中，在电流的作用下，锂离子从其结合部位释放出来，然后摆脱与阳极的结合，使电子通过外部导线自由流动，从而完成工作。

与同类产品相比，锂离子电池具有许多优势，包括能量效率高、功率重量比高、自放电率低、使用寿命长和便携式设计。在锂离子汽车电池中，锂钴氧化物技术可提高能量密度。

电解质

电解质是人体水合水平和细胞功能所必需的重要矿物质，还具有预防疲劳、头晕和头痛等整体健康益处。缺乏电解质甚至会导致脱水，严重影响生活，并对日常工作产生深远影响。

锂离子电池依靠非水性电解质来避免水反应，保护电极不被降解。它们通常包括有机碳酸盐（如碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯），其复合物可在溶液中结合锂离子；然后，这种液态电解质可让离子在阳极和阴极电极之间移动，产生电能。

在放电过程中，锂离子通过电解质从阳极移动到阴极时，会经历一个插入或插层过程，将电子从阴极转移到阳极。这就产生了化学能输出，储存在电池的外部电路中；充电时，这些离子与电子重新结合，形成电能。

Dinca 和他的团队正在研究开发含钴量更少的替代电池材料，如钠或镁。这种电池可以使电池更轻、更便宜，从而对消费者更具吸引力。与含钴电池相比，无钴电池应该具有更好的循环寿命和可回收性，甚至在运输和储存方面也会更加安全。

阴极

阴极是锂电池的核心部件之一。作为电导体，它有助于锂离子在放电/充电过程中在阳极和阴极之间移动。阴极可由不同的材料组成，如过渡金属锂氧化物、钒氧化物、锰基氧化物或锂磷酸盐，这些材料可在放电/充电循环过程中实现锂离子的可逆插层/去插层。

阳极是负电极，负责在电池放电时将电子释放到外部电路。相反，阴极在其正极上通过电化学还原反应将带正电的锂离子与电子结合。电解液是锂离子和电子在阳极和阴极之间传输的中介，本身并不参与电化学反应。

目前已开发出许多不同的正极材料；目前生产中最普遍的三种材料可归纳为钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂。每种材料都利用锂离子化学，但其充电容量和循环稳定性因型号而异。

锂离子电池的能量密度和循环寿命都取决于其正极，因为该部件储存了大量具有高导电性的锂离子，而且必须储存大量的锂离子才能发挥最佳功能。为了进一步降低电阻和提高性能，可以添加各种导电添加剂，如炭黑（CB）、无定形碳（AC）或碳纤维（CF）；表 2 列出了这些添加剂对各种阴极材料的放电容量和循环性能的影响，并对各种导电添加剂进行了比较。

阳极

锂离子电池的可行性在很大程度上取决于其电极材料（也称为阳极和阴极），它们在能量密度和电压范围调节方面发挥着至关重要的作用。大多数锂电池使用碳阳极和碳阴极，但研究人员正在探索替代解决方案。

放电时，阳极通过插层向阴极释放锂离子，产生电流和能量。然而，在充电时，情况恰恰相反。锂离子不是通过插层向阴极放电，而是进入电解质（由悬浮在碳酸二甲酯溶剂中的锂盐组成）。锂离子从这里回到阳极，最终通过这种溶液回到外面，完成逆向循环。

标准石墨阳极不能长期使用，因为反复插入锂元素会导致石墨阳极破裂并失去容量，从而使锂电池失去功能。有人提出了金属氢氧化物等替代品，但它们的高插层电压会降低这些电池的能量密度。

Amprius 是一家专门从事电池材料的公司，该公司已开发出一种硅外壳阳极，其中包裹着硅纳米线，这是一种潜在的解决方案。该电池组已在空客 Zephyr S 伪卫星电池组中进行了测试，其性能非常出色：可持续数百次充电循环，同时可产生超过 435 瓦时/千克的能量输出。

电极分离器

隔膜是锂电池的重要组成部分，它的作用是隔离正负极，同时允许锂离子流动。隔膜由聚乙烯或聚丙烯等各种聚烯烃材料制成的多孔膜构成，其大小会影响放电过程中的电流大小，并决定循环过程中的稳定性。

隔膜的孔隙率应足以让锂离子在电极之间自由移动，孔隙分布要广，在拔出或关闭电池时孔隙要闭合；最佳孔隙尺寸在 30 到 100 纳米之间。此外，其导电性也必须很高。

隔膜的润湿性也很重要；它必须在电池运行期间将足够量的电解液吸收到其孔隙中，而不会形成枝晶和 SEI 增生。可采用各种隔膜材料，如无纺布聚丙烯、微孔单层聚丙烯、纤维素、玻璃纤维、聚四氟乙烯或三层聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯；其中一些材料具有更强的性能，如更强的抗氧化性或与电解质的亲和性/润湿性；这些改进对电池的安全性和使用寿命大有裨益。

当前收集器

集流体是锂电池的重要组成部分，因为它们能让电子在阴极和阳极电极之间流动，帮助电池实现高能量密度，并提高安全性和性能。集流器的设计必须能够承受高工作电压而不会腐蚀电极。

铝和铜等金属因其相对廉价的性质和出色的导电性能，经常被用作电流收集器，但由于其脆性，需要较大的厚度才能保持机械完整性。

美国国家研究与实验所（NREL）的科学家们想出了一种新方法，既能减小电流收集器的厚度，又能提高能量密度。这种方法是将锂电池隔膜中的活性材料涂上粘合剂，形成薄而轻的电流收集器，这将有助于提高锂汽车电池的能效。

科学家们正在探索如何减小电流收集器的厚度，同时提高其电化学稳定性。与金属材料相比，碳基材料的生产过程更加环保，因此越来越多地被用作电流收集器。

碳基集流体与更坚硬的同类产品相比具有许多优势，包括更轻、更灵活，足以提高电池的能量密度和功率容量--鉴于锂离子电池的日益普及，这是一项越来越重要的要求。