新能源产业(新能源产业发展现状及趋势)

摘要:随着工业4.0的发展,制造业蓬勃发展,人类社会经济得到了飞速增长。而新能源产业的出现也带动了锂电池行业的蓬勃发展,引领社会经济到达了一个新的高度。锂电池的特点是具有高特定能量、高效率和长寿命。这些独特的特性使锂电池成为消费电子产品的首选电源,每年产量约为数十亿台。预计这些电池还将作为可再生能源发电厂的理想电化学存储系统以及混合动力车和电动汽车等可持续车辆的电力系统发挥突出作用。然而,锂电池扩展还存在很多问题,因为安全性、资本、宽操作温度和材料可用性等问题仍有待解决。本论文首先通过对新能源发展趋势进行概述,引出世界能源开发历程,最后再提出锂电池作为一种新能源载体而受到广泛关注。首先关注锂电池技术的现状,然后关注其近期发展,最后介绍了新一代锂电池以及未来锂电池的发展方向。

1.1研究背景和意义

十九世纪初,人类文明开启了财富生产的新纪元:工业生产,也就是所谓的工业革命。主流经济学告诉我们,自从这场彻底变革开始以来,人类技术已经以工业生产的形式实现并推动了一系列颠覆性变革。按照这种思路,第一次工业革命发生在18世纪到19世纪的过渡时期,其特点是引入了水动力和蒸汽动力机械制造设施。第二次工业革命发生在19世纪到0世纪的过渡时期,其基础是引入电动大规模生产和密集的劳动分工。然后是从1960年代到1990年代的第三次工业革命,其主要驱动力是使用电子和信息技术(数字革命)来实现制造的进一步自动化。这三个连续的革命可以分别称为工业1.0、工业.0和工业3.0。

现代全球经济正处于新工业革命的门槛，许多实际趋势证明了这一点。首先，二十一世纪初全球经济危机的持续时间很大，以及无法借助经济体系的现有可能性来克服它，这表明以前的技术模型的潜力已经耗尽了。在工业生产领域，危机首先表现为工业产品生产过剩，无法在国内经济体系或全球市场出售，这导致世界各地的工业公司大规模破产，并增加了各国政府的保护主义措施。

其次，根据经济理论的现代规定（特别是经济周期理论、危机理论、创新理论等），克服全球危机需要掀起新一波创新。这一趋势得到了许多国家在知识经济形成方面的密集进展的支持，因此全球经济体系对其未来创新发展的潜力得到了加强。创新是公认的社会经济发展的全球优先事项。

第三，近几十年来，来自不同国家的学者进行了研究，产生了新技术，其中大多数是领先的促导技术（技术创新），即它们以实体经济部门为导向。这些技术必须形成并刺激新的高科技工业领域的密集发展，但它们尚未在实践中得到应用。

第四，在独立公司甚至国家层面，有革命性技术现代化的倡议，旨在实现前所未有的创新发展。在全球竞争的条件下，只有通过独特的竞争优势才能确保经济主体和经济体系在全球市场上的成功。为了实现和维护它们，有必要使用新技术来确保优化社会经济和业务流程。

经济增长是国家经济监管系统专家和从业人员广泛讨论和科学界研究的问题之一。这个问题有很多方面，从而导致了大量的概念性方法。解决这个问题的一个重要特点是，该倡议传统上是由学者发起的，他们提供了一种管理经济增长的新方法，这反映在社会经济系统的经济实践中。

因此，对工业专业化以支持高全球竞争力的可能性和必要性的科学论证启动了经济体系工业化的进程。支持后工业化的科学论据启动了各国经济结构调整的机制，朝着增加服务领域份额的方向发展。随后的全球金融危机成为重新思考后工业化概念和知识经济概念出现的原因。

在主导的科学范式中，经济系统发展的关键标志是可持续性，它具有两个特征——稳定和平衡。在本章中，提出了科学假设——经济系统可持续社会经济发展原则的实际实施设想建立在实体经济部门的基础上，这必须显示出通过创造国民经济相邻领域的创新——教育、科学等。

工业4.0结合了以上所有特点，它属于实体经济部门，以工业生产方式的创新为导向。现代经济体系中工业4.0的集约化发展，将确保其创新发展、经济稳定增长和国民经济部门结构的平衡（工业和服务业同步发展）。

大多数经济学家现在都认同我们正在进入第四次工业革命,其主要特征是使用信息物理系统,或者换句话说,通过信息网络以及使用纳米技术和新型高效智能材料创造经济价值。该术语于011年在著名的汉诺威博览会上首次出现,作为德国工业高科技战略的一种项目,并于次年成立了德国工业4.0工作组,该工作组交付了最终报告,于013年4月再次在汉诺威博览会上发表。该报告定义了工业4.0环境,其中包括在大规模生产的高度灵活性条件下的产品的强定制,需要引入自组织系统的方法以获得真实和虚拟世界之间的适当联系。与此同时,随着工业4.0的到来,新能源产业也在不断的升级，目前新能源产业所产生的电能大多是由锂电池作为载体用于各种产品上，因此对于锂电池产品来说也要随着时代的发展而进步。

早在1991年，索尼公司宣布了一种名为锂离子电池的新产品。在此之前，使用Moli Energy锂/MoS2电池的手机被召回，因为排气有火焰，导致用户受伤。1索尼（以及其他一些公司）一直在尝试开发一种带有二氧化锰正极的锂金属电池，但该系统也存在安全问题。作者熟悉这些安全事件，因为他同时在劲量研究实验室使用Li/MnO2系统。被测试的细胞会显示出树突状锂短路的迹象（在电荷过程中观察到负电压峰值），随后是偶尔和不可预测的细胞爆炸。人们对锂金属技术的兴趣是由于这些细胞的高比能量和能量密度。与以前的水溶液体系相比，其改进是由于与所有其他已研究过的负极材料相比，锂的高电池电位和低原子量。其他锂电池已经进行了研究——值得注意的是，埃克森集团的Li/TiS2系统，以及贝尔实验室集团的Li/NbSe3系统。埃克森美孚系统被安全问题，确定不仅锂负极是不安全的，而且电解质，由LiClO4盐溶解在醚溶剂（主要是二氧沙烷）是冲击敏感和容易爆炸在足够强的冲击条件下。由于锂电极的回收效率较差，循环寿命也非常有限。大多数研究利用电池中过量的金属锂来提高明显的效率，但当过量的锂被用完时，容量在每个循环中迅速下降。这项与锂有关的工作，虽然不成功，但导致了对工艺和材料要求的大量学习。二次电池被发现对电解质和电极材料中的水等杂质更为敏感。同时，也发现其处理方法与原电池的不同。这项工作有助于发展锂离子电池到目前系统的优良状态。全新系统的发展，如其他金属阳极，其他插入系统如钠离子电池、气体或液体阴极系统将不考虑，但我们必须意识到不同的充电电池概念有可能取代至少一些锂离子电池应用由于更高的能量、功率、更好的安全或更低的成本。

本文综述了锂金属电池的发明和发展锂离子系统的工作。电池最初开发和今天存在的情况，最后讨论了目前系统的缺点和可能的改进，这将决定锂离子电池的未来自己锂电池产业的发展。

1.研究目标

通过对工业4.0新能源产业的研究,分析锂电池行业的发展前景与未来,从而展现锂电池行业对新能源产业的的贡献与帮助,帮助企业经济实现效益的增长。

1.3研究思路

本文共分为八个部分:

第一章绪论,主要表述了本文研究的背景和意义,随后表明了本文的研究目标思路以及研究方法。

第二章主要论述了在工业4.0的发展模式下新能源产业的发展,通过对其发展的研究发现新能源产业有助于减少二氧化碳的排放压力,对于保护环境具有深远的现实意义。

第三章主要论述了世界能源发展的总体趋势。通过对能源开发的三个转变,能源发展的三个趋势以及能源开发的三种模式。论述了社会能源发展的需求以及科技进步可以推动能源革命。

第四章主要论述了世界能源的开发历程,通过对历史的回顾,了解了化石能源的产生需求,以及最后各种新能源发电的出现。

第五章主要论述了新能源的载体,通过对新能源载体的研究,研究并讨论了有关锂电池的性能情况,通过对锂电池发展的了解,研究了锂电池行业具有重要的发展机遇。

第六章主要论述了新一代锂电池的发展,目前许多新兴商业电池采用的当前方法只考虑涉及阴极的创新。有更多进取心的制造商正在考虑开发具有两种创新组件的电池,通常是阳极和阴极。

第七章讨论了未来锂电池的发展,随着新材料的进展，预计，随着锂离子电池在活性材料、惰性材料和电池设计中的成功实施，其所有的性能将继续提高。

第八章主要是对全文的总结,通过全文的探索进一步阐述了锂电池作为一种新能源载体的重要性,具有广阔的发展前景与未来。

1.4文献综述

鉴于新能源行业在缓解能源危机和减轻环境污染方面发挥着重要作用,许多学者对该行业的主要驱动力进行了深入研究。然而,现有文献中仍然存在一些缺陷。首先,现有的大多数研究都使用传统的线性模型来调查新能源行业与其驱动力之间的关系。事实上,经济变量之间存在大量的线性和非线性关系(Granger,1988年)。仅使用传统的线性模型进行回归接受手稿分析将产生有偏见的估计,而估计结果很难有效地揭示经济现实。其次,这些研究大多基于横断面和时间序列数据的重点是新能源行业。与面板数据相比,横截面和时间序列数据更有可能产生多共线性问题。多共线性问题可能会导致不良后果。例如,参数估计可能无效,参数估计的经济影响不合理。

在改进现有研究的基础上,本文有两个重要贡献。通过一定的研究方法展现出来:

(1)文献研究法

本文利用文献资料研究有关工业4.0的相关理论,通过研究讨论有关新能源产业的发展,进一步研究有关锂电池产业的经济效益。;通过搜集、阅读、整理锂电池的相关资料,研究其性能与发展前景,为工业4.0新能源产业发展提供理论参考。

()理论与实证法

在工业4.0理论的基础上,本文通过理论分析对锂电池各项性能的改进提出其具体要求,比如锂电池比能量,锂电池功率的改进,最后通过锂电池安全性与可靠性的实证性研究,进一步分析了锂电池作为新一代的能源产业所具备的发展前景与未来。

.工业4.0下的新能源产业发展

随着工业4.0的发展，人类文明又将迈入一个新的台阶，这不仅是生产力的提升，更是一个行业的进步，也是国家综合经济的发展之路。中国现在是世界第二大经济体。大规模的工业规模和公认的手稿长期广泛的经济增长导致大量化石燃料的使用和二氧化碳排放。中国现在是世界上最大的能源消费国和二氧化碳排放国。根据《中国统计年鉴》的数据,015年中国能源消耗量和二氧化碳排放量分别为43亿标准煤当量和116.1亿吨。此外,中国现在是石油净进口国。014年以来,中国石油进口量已超过美国,成为世界第一大石油进口国。石油进口过剩使中国石油对外依存度从000年的9.7%迅速上升到015年的60.5%。因此,中国政府不仅面临着严峻的能源危机,而且还面临着严峻的能源危机。

减少二氧化碳排放的巨大压力,使用清洁无污染的替代能源已成为解决问题的根本。中国幅员辽阔,太阳能、风能、生物质能、核能等清洁新能源资源丰富。所以近年来,各级政府积极培育和发展新能源产业。对于发展新能源产业、减少石油对外依存度和减少二氧化碳排放具有重要的现实意义。

3.世界能源发展的总体趋势

3.1能源开发的三个转变

第一次转变是人类从用木材向用煤炭的转变。人类在没有用煤炭的时候大多使用木材，木材不仅需要数量庞大，而且容易受天气因素的影响，使用起来非常不方便，可是自从1875年，法国人第一次建立了煤炭发电厂，改变了人能对煤炭的认知，在发现了其优点后，将使用木材的习惯改变成了使用煤炭，大大加速了人类文明的进程。

第二次转变是后来到了1886年内燃机的出现打破了煤炭市场的行情，人们更加依赖于石油，在各行各业广泛运用内燃机，石油也就取代了煤炭，这是第二次转变。

第三次转变是随着社会文明的发展人们越来越重视绿色生态，不管是是有还是煤炭都会对生态环境完成影响，于是人们开始开发新能源，这些新能源，比如风力发电，潮汐发电等给生态环境带来了改变。这是第三次转变。

3.2能源发展的三个趋势

在能源的类型、生产方法和利用方法方面,世界能源发展已经从高碳转向低碳,从简单生产转向技术逻辑生产,从一次性利用转向多次利用。

(1)能源类型:从高碳到低碳,或从化石到非化石能源。每单位卡路里值的碳含量在煤炭中为6.37 t/TJ,在原油中为0.1 t/TJ,在天然气中为15.3 t/TJ。水电、风能、核能和太阳能几乎不含碳。在从煤炭到碳氢化合物和从碳氢化合物过渡到新能源的过程中,各种能源产生的污染物和碳排放日益减少,这满足了生态环境绿色发展的需求。

(2)生产方法:从原始到技术生产。根据能源发展的总体趋势,原始人类直接从自然中获得木材,从煤炭开采到油田开发,工程技术的重要性变得越来越突出。核能、风能、太阳能和其他新能源的开发在技术上是密集的。在任何类型能源的开发过程中,技术的重要性也得到了高度重视。例如,在早期,垂直井钻井用于石油开采,水平井钻井和水力压裂技术的应用使大量低产井实现了有效发展。近年来,分阶段压裂在水平井中的应用促进了能源部门的"页条油气革命"。

(3)能源利用:从直接使用到能源反式编队。在第一次工业革命之前,火柴和煤炭仅用于取暖。随着1769年蒸汽机和1875年内部通信发动机的发明,能源被用于发电。1831年法拉第发现电磁感应后,能源被用于电力,开创了电气化能源使用的时代。

3.3能源开发的三种模式

随着社会文明和科学技术的进步,"石油"和"天然气"、"常规能源"和"非常规能源"以及"化石能源"和"非化石能源"之间协调发展的新模式正在形成。

吃多少、点多少吃剩下的食物约占厨余的30%，养成良好的习惯，吃多少、点多少，可减少厨余量。

(1)"石油"和"天然气"的新时代。基于国际能源发展和石油公司的查看和发展态势,总体趋势是"稳定石油生产,增加天然气供应"。天然气将成为石油的"第一次撤退";天然气开发的时代即将到来。

()"常规能源"和"非常规能源"的新模式。常规和非常规能源都集中在主要石油公司的发展战略中,这些战略仍然专注于常规石油和天然气的勘探,并彻底研究有关非常规能源的关键技术和理论,以促进进步和有效的发展。从长远来看,页岩气、页岩油、天然气水合物(以下简称"NGH")和其他非常规资源具有巨大的潜力。一旦取得技术突破,"第二次革命",特别是"NGH革命",将迎来传统石油和天然气,它可能比页岩气革命更激进。

(3)"化石燃料"和"非化石燃料"的新模式。传统化石能源不是可再生的,而可再生的非化石能源将完成传统能源的"终极革命"。如果承认石油工业的发展周期为300年,那么从1859年世界石油工业开始已经过去了150年,现在剩下的150年可能是能源化石的生命周期。风能、太阳能、地热能、储能和氢能迅速发展,前景良好。也许"新能源革命"将在化石能源枯竭之前到来。

4.世界能源开发历程

由于地壳形成和演化的差异,化石能源资源明显分布在世界各地的地区。随着新能源的发展与开发，每个地区都有不同的发展模式，这极大地影响了传统的供求能源模式。已经形成了四个石油和天然气区域以及四个非常规石油和天然气区域。煤炭分布在三个地区:亚太地区、北美和欧洲,而欧洲、北美和亚太地区也在开发新能源。

4.1化石燃料能源

化石燃料能源的出现将燃料的使用效率提到了一个新的高度，但是在发现的同时也带来了许多环境污染的问题，因此新能源就此应运而生。

4.2新能源

4.2.1可再生能源

发电一直是可再生能源利用的主要目的,引领着可再生能源发展的未来。随着风能、太阳能等可再生能源开发利用的不断科技进步,欧洲、亚太和北美已初步成为新能源的三大产区。可再生能源总发电量为3.17x 108当量,欧洲、北美和亚太地区分别占39.3%、3.%和9.7%。生物质燃料的生产具有高度的区域特异性,并受到甘蔗等农产品生产的影响,发展缓慢,不过已初步形成北美和拉美两大产区。004年生物质燃料产量为0.16 x108吨,其中北美和南美分别占39.4%和44.5%。014年总产量增至0.71108吨,其中北美、中南美、欧洲和亚太地区分别占44.1%、8.7%、16.3%和10.6%。

4.2.2水力发电

世界水电技术成熟,水土开发主要受水资源分配控制。四个生产地区,即亚太地区、欧洲、北美和拉丁美洲已经普遍成立。014年,全球水电装机容量为1036 GW,总发电量约为3900 TWh(8.79 x108吨)。亚太地区、欧洲、北美和拉丁美洲分别占38.9%、.3%、17.5%和17.7%。美国和加拿大是水电发展的世界领导者,水电装机容量分别为79.6和77.6 GW(不包括抽水储存)。美国政府鼓励发展水电,并于014年颁布了两项法案,简化了在现有水基础设施上建造小型水电项目的审批流程,并将在现有水设施或具有水电潜力的场地上建造的水电项目的允许容量从5兆瓦增加到10兆瓦。水电占加拿大总发电量的63%,正在建设的水电项目的装机容量为4000兆瓦。

4.2.3核能

受福岛核灾难的影响,世界核电发展往往很谨慎。欧洲和北美有两个主要生产地区。014年,电网核电站总装机容量为4763兆瓦,总发电能力降至5.74x108吨,其中欧洲和北美分别为46.3%和37.6%。014年,有70个单元正在建设中,总装机容量约为74 GW。014年,增加了四个用于电网运行的电力反应堆,一个在阿根廷(ATUCHA-单元,PHWR,69兆瓦),三个在中国,即方家山1号单元(PWR,1000兆瓦),福庆1号单元(PWR,1000兆瓦),宁德号单元(PWR,1018兆瓦)。

5.工业4.0下新能源的载体

随着新能源的不断发展,为工业4.0注入了新的活力,不管是从经济上还是从制造上来说,新能源的出现无疑是一种把工业发展的副作用降到最低点的一种产物。对于新能源来说,他的主要工作就是制造能源,电能作为最主要的能源,如何储存成为了经济发展的关键所在。

在工业4.0的发展下,新能源产业蒸蒸日上,在其自然引导下,锂电池成为了新能源载体的首选,所以,锂电池的出现也带动了整个锂电池行业的发展,创造了一种新型的高科技产业。这对于社会经济的发展而言,无疑是一种历史性的变革,在带动行业发展的同时,也创造了千千万万个岗位,让无数的人获得就业的机会,经济也就在这种不断的发展中逐渐趋于平稳上升的趋势。接下来主要分析有关锂电池作为经济发展的关键因素。

5.1早期锂离子电池的研究

索尼显然是第一个生产和销售锂离子电池的公司，但之前的一些研究都是1991年该产品的前奏。关于锂电池的想法，其可逆的正电极和负电极之间是第一次由阿尔芒在1970年代末，使用插入材料不同的两个电极，通常被称为摇椅电池，这是因为锂离子来回两个电极之间的流动。这个想法很快被拉扎里和斯克罗斯蒂所采纳，并通过锂化二氧化钨电极和二硫化钛电极来实现。电位范围仅为0.8~2.1伏，电极均具有高分子量，但虽然充电电压限制在2.2 V左右，放电限制为1.6 V左右，但也因此建立了理论基础。

古德纳夫实验室的一个重要发现是，NaFeO2结构的锂化过渡金属氧化物家族能够在相对较高的电位下可逆地去插入和重新插入锂离子（但电压有限，以防止电解质氧化）。镍和钴以及这些与锰、铝、铁等的混合物。都被发现具有这种能力，后来采用这种专利材料（LiCoO2）形成了索尼锂离子电池的活性正极材料。稍晚，实验室发现二氧化锰的一种新形式，指定为λ形式，尖晶石结构，准备从LiMn2O4（也尖晶石形式），可以可逆地还原和氧化非水电解质，其高潜力类似于LiCoO2也具有类似的能力。这种材料后来也被选择用于一些高速率电池。

找到合适的负极材料比找到正极材料要复杂一些。早期对石墨和碳质材料的研究表明，锂离子可以插入，溶剂分子的共插入使过程复杂，在此过程中发生溶剂还原和碳结构的破坏。早期关于石墨电极的早期工作，如贝尔实验室的巴苏，格勒诺布尔大学的Yazami，没有考虑到这个因素，在实际电池中会失败。达恩的一项重要发现表明，石油焦的抗溶剂共插层和还原性明显优于石墨，而在PC中加入碳酸乙烯则大大提高了石墨和石油焦的抗性。然而，吉野和来自朝日Kasei（日本分离器和电解质的电池供应商）的同事已经在一项开创性的专利中描述了石油焦等低温碳的好处，该专利导致洋野被确定为锂离子电池的真正发明者。在本专利中，较低温的焦炭（煅烧温度优选在800-1600C和涉及Lc和ρx射线参数的公式）和由古德诺夫建议的LiCoO2材料的组合。达恩集团使用的商业可乐热处理大约1300C，因此与吉野等，和可乐的可逆容量循环低利率只有石墨的一半（xLixC6是0.5可口可乐和1.0石墨）。因为吉野等人在大多数情况下使用纯原料，而不是石油，所以焦炭的纯度远远高于达恩的团队使用的原料。这两项研究的进一步区别是电解质中使用的盐。Dahn的小组使用LiAsF6，被许多工人发现它是二次锂金属电池最好的电解质盐之一，但吉野等人使用LiClO4、LiBF4和LIPF6，这在日本常用于初级锂金属电池。Yoshino等人还研究了各种粘合剂，包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯和各种弹性体，而Dahn组只使用二次锂电池广泛使用的二烯单体（EPDM）。

有关研究小组测试了碳质正极对锂而不是金属氧化物。因此，他们没有观察到铝正极载体与LiAsF6电解质的严重腐蚀。研究者在后来的实验中使用细胞的全细胞实验，并观察到这种腐蚀，这本可以避免在全细胞中使用这种盐。最后，小组使用的分离器均为微孔聚丙烯，而Yoshino等人推荐使用微孔聚烯烃分离器，经常使用聚乙烯而不是聚丙烯。朝日成泽在互联网上发布了吉野博士和他在锂离子电池方面的工作的简介，其中包括大部分的早期工作。朝日电池电池公司后来成立了一家合资企业，创建了A&T电池公司，生产锂离子电池。A&T现在是东芝公司的子公司。

虽然锂离子电池的主要元件是由吉野等人设计的，但有许多研究需要使一个真正的商业电池具有比镍镉和新发现的镍氢电池更优越的性能。由于这些早期电池的缺陷，特别是记忆效应，低比能量，电荷保留差和镉系统的环境问题，因此需求非常大。此外，电子工业也在迅速发展，特别是在所谓的计算、通信和摄像机3c领域。索尼是消费电子产品领域的领先公司，并表现出推出以前没有市场的创新新产品的意愿。索尼在电池行业相对新手，通过与联合碳化物电池产品部门的合资企业学习碱性初级电池技术和业务，但在1986年切断了协议，开始认真研究可充电电池。索尼开发的一些主要元素已经由西吉夫（电池电解质和碳材料方面的专家）和小泽和森（从磁带部门引进的涂层专家）讨论过。

最初的开发使用了低温焦炭作为负极，因为它与电解质具有良好的稳定性，尽管比容量较低。对于第二代负极，用具有较高比容量的硬碳（最初由聚糠醇制备）代替焦炭。硬碳负极具有倾斜的放电曲线，但比焦炭具有更高的比能，良好的安全性和比许多焦炭更好的速率能力。现在常用的中间相碳微珠（MCMB）。这种类型的碳是由热处理前体材料通常用于制造人工石墨（如石油沥青）中等温度如400C，导致球形粒子的形成，淬火到较低的温度凝固中间相颗粒和提取球体周围的各向同性材料。然后在更高的温度下重新加热收集的隔离组件，以提高石墨化率。MCMBs已被证明具有优秀的性能为许多锂离子电池（特别是那些热处理高温2600C——接近球形，因此低表面积与颗粒大小相比，和高石墨化）给了一个更高的比容量和平面放电轮廓。正极材料LiCoO2经过精心设计，具有较粗的粒径和良好的结晶度。使用较小颗粒尺寸的工作导致了安全问题。该过程包括配制PVA、Co3 O4和过量的Li2碳酸盐，并在二氧化碳含量固定的空气中煅烧。虽然最初使用的是商业聚偏氟醚（PVDF），但在产品引入前不久发现正极材料缺乏粘附。与库里哈化学公司的坠机项目。通过将羧酸酐接枝到PVDF上，开发了一种改进的材料，大大提高了对铝载体箔的粘附性。小泽一郎提到索尼生产磁带的能力有助于制造涂层电极。毫无疑问，这一经验的一部分涉及使用优秀的生产涂层机械，但是，正如该项目的关键工程师ToruNagaura21证实的那样，特殊的高能混合也非常重要。小泽一郎还提到，镀镍铁罐对该项目的成功至关重要，因为不锈钢罐最初的选择是因为微量心衰的存在，但被发现对所设想的应用有过高的阻力。所选分离器为双轴拉伸微孔聚乙烯材料。细胞大小选择是18650（后采用命名圆柱形锂初级细胞，前两个数字代表直径毫米和其余的数字代表细胞的高度十分之一毫米——因此常见的2016硬币细胞是20毫米直径和16毫米的高度）。这个选择接近的体积充电镍电池，最受欢迎的大小为小型电子设备，（17.9厘米3子C和16.5厘米318650大小）和独特的锂离子，这样1.2 V NiCd或NIMH电池不能取代锂离子电池，反之亦然。选择的电解液为碳酸乙烯和线性二烷基碳酸酯，很像目前使用的碳酸二甲酯和碳酸二乙酯，盐纯度高，干燥状态为LiPF6。这所有碳酸盐溶剂的重要抗氧化性能约4.5 V。后续改进电解质主要涉及使用添加剂改善钝化膜的负材料，提高电解质的正活性物质的氧化稳定性，在某些情况下降低电解质的可燃性。

原索尼可乐负产品能量密度为200 Wh/l，比能量为80 Wh/kg，电荷限制为4.1 V。硬碳负电池为295 Wh/l和120 Wh/kg，电荷限制为4.2 V。后来使用MCMB负性材料后，能量分别为400 Wh/l和155 Wh/kg。虽然索尼在一段时间内一直保持着行业的领先地位，但来自许多其他生产商的竞争最终导致索尼计划退出电池市场，并计划将电池业务转移给村田集团。

5.2锂离子电池技术的近期进展

目前的锂离子电池市场要比上述3C市场上原来的小型电子设备复杂得多。许多其他市场已经开放了小型设备，如玩具、照明（液晶显示屏和荧光灯）、电子烟和汽化器、医疗设备和许多其他设备。24,25发现，使用18650、26700和26650尺寸的锂离子电池组可以设计成比最初怀疑的更高的功率，这为便携式电动工具、花园工具、电动自行车和许多其他产品打开了市场。虽然高能18650电池现在有多达3.4 Ah，但高功率电池牺牲了一些容量来获得在18650电池大小下的20A或更高的连续放电能力。虽然有些细胞声称有高达2.5 Ah的容量，但在循环过程中很难维持如此高的容量。由雷默斯26和Spotnitz及其同事进行的建模研究清楚地显示了多个标签和标签放置的重要影响。其他重要的设计变量是电极的厚度、正极的碳含量、电极的孔隙率和负极中使用的碳的类型。

建设生态良好、环境优美、功能完善、养生宜居的卫生城市是我们共同的愿望，也是全社会的共同责任。为动员全县广大家庭积极投身环境保护工作，县妇联倡导在全县范围内开展“创建洁美家庭争做美丽女人”活动倡议书。

此外，对分离器或正极的陶瓷涂层的发展对防止循环过程中由于电极表面偶然存在金属颗粒而产生的内部短路有有益的作用。这些颗粒很小，通常通过空气传播，经常是由于电极的机械切割造成的。该分离器只有12到25 μm厚，因此非常小的导电颗粒可以穿透分离器并造成短时间的概念已被认为是锂离子电池的主要失效机制。这种分离器涂层可以位于聚烯烃分离器的一侧或两侧，并且可以薄至2 μm厚。涂覆分离器的附加优点是在关闭温度下大大降低了分离器的收缩（如果分离器收缩到允许阳极和阴极直接接触的程度，分离器熔化导致的电流关闭可能不会成功），在循环期间弱短路降低容量而不引起安全事故的情况下更好地循环，以及由于容易湿湿的无机氧化物陶瓷相而改善电解液润湿。更复杂的涂层正变得越来越普遍，例如，松下和特斯拉汽车公司使用的住友分离器包括陶瓷颗粒和芳香聚酰胺（芳纶聚合物），以增加涂层的渗透强度。

虽然很难得到电池行业的确认，但很明显，少量的硅现在被加入到了石墨基负极中。锂硅合金阳极的极高比容量（超过3000 mAh/g，而石墨的最大容量为372mAh/g）意味着石墨颗粒中加入少量的硅也对负极的比容量有显著影响。目前已经研究了许多方法，将少量的硅微粒或纳米颗粒放到石墨颗粒表面，每个石墨供应商都使用自己的专有工艺。例如，400到500 mAh/g的材料现在是普遍的，毫无疑问用于优质锂离子电池，提供超过3 Ah的18650容量的电池。这些电池具有高循环寿命和高碳酸度，只是比传统的石墨电池稍微贵一些。

目前常用的阴极材料包括原始的LiCoO2（缩写为LCO）和LiMn2O4（缩写为LMO）。一种优秀的、仍在发展中的材料是LiNixMnyCo1-x-yo2（通常称为NMC，在过渡金属层中具有相同的R3-m结构）。下标通常被它们的原子比称为532,442或811。最常用的材料是111和532。此外，一种竞争非常激烈的材料是LiNi0.80 Co0.15 Al0.05（NCA），也是一种层状的R3-m结构。最近由几个小组竞争开发的材料是具有一维隧道结构的LiFePO4（LFP）。每种材料都有一定的优缺点，并已应用于不同的应用。表一总结了目前的关键属性、优缺点和主要应用程序。

2015年初电池行业的快照可以从Pillot22获取，现在可以在互联网上获得。Pillot以提供当前生产的准确数据以及未来生产的保守方法而闻名。参考Pillot22显示，LCO的电池使用仍然是最大的，为4.5千吨（KT）的材料，但肯定趋于平稳。NMC的使用其次是在35 KT，LMO在18 KT，并且有所增长，10 KT的LFP似乎趋于平稳，NCA在9 KT左右正在强劲增长。对费用和供应的担忧限制了LCO的上行潜力，并继续存在安全事故，特别是在较低容量的电池生产商中。其中两个较新的应用，电子香烟和所谓的悬浮滑板（2轮式自平衡板）发生了许多安全事故，锂离子电池引发和起火，造成伤害和财产损失。2014年，美国消防管理局的一份文件报告称，至少有25起与电子烟中的锂离子电池有关的火灾，此后有33起等许多案件被各种媒体报道。据CNet报道，由于60多起火灾，美国消费者产品安全委员会已经召回了超过50.1万辆悬浮滑板。34.尽快防止此类事件的发生，当然符合电池行业的利益。对此类事件的部分调查应该是识别电池的组件，特别是阴极、分离器和电解质。NMC的快速上升部分是由于该材料在高能量和高功率应用中的灵活性。因此，许多最初以LMO作为阴极材料的电动工具电池，现在都有了NMC。此外，消费电子应用经常使用NMC，因为它比NCA更容易制造，而且这种材料可能具有各种单元形几何形状（圆柱形、袋形和矩形单元）。表一中列出的缺点是专利问题。这是一个复杂的法律问题，但两个专利持有者，巴斯夫-阿贡国家实验室和3M在美国拥有相互竞争的专利，涉及含有锂和锰过量的类似材料，这给在美国销售的电池带来了困难。NCA被一些主要的生产商，如SAFT和松下，用来制造高能源，在某些情况下，是高功率电池。这些通常是优质电池，因此具有最高的成本。LFP具有较低的能量密度，因为其较低的电压密度和一般较低的能量密度，但由于其良好的功率和良好的热稳定性，已被用于更坚固的应用，如电动自行车，效果良好。

5.3锂离子电池的不足和改进

目前的锂离子电池有几个缺陷，如果以适当的方便和成本参数加以补救，将使优越的锂离子电池能够打开新的应用，并扩大现有电池的市场。本节将讨论锂离子电池的缺陷和改进该技术的可能方法。首先，重要的是要考虑某些市场因素，这些因素将对成本、材料可用性和必要的技术改进产生重要影响，以使不同类型和尺寸的电池能够大规模生产。

市场吸引力强烈作用于锂离子电池制造商应用公司和政府要求增加产能和能源成本满足温室气体的需求通过实现所有类型的电动汽车取代石油和能源存储，间歇性可再生能源如风能和太阳能可以取代煤炭和天然气燃料的能源生产。成本因素特别重要，例如，对于动力应用，特别是对于插电式混合动力汽车（PHEV）和电池电动汽车（BEV）。最近的估计显示，生产锂离子电池的成本低至每千瓦时145美元，而一个电池组的成本低至每千瓦时190美元。大多数汽车制造商和美国能源部的目标是一个电池组每千瓦时125美元。虽然特斯拉汽车的Model S BEV有60到100千瓦时的电池，但新的雪佛兰Bolt BEV将有60千瓦时的电池，而特斯拉Model 3将有少于60千瓦时的电池组。这后一款车型是第一个续航里程超过200英里（320公里）的大众市场bev，这被认为是公众普遍接受的要求。表II和表III给出了目前生产中的许多bev和插电式混合动力汽车的数据，包括电池尺寸和美国环境保护署（EPA）的估计范围，按目前在美国的销售情况进行排名。

只有非常昂贵的特斯拉车型才有200英里或更多英里的续航里程。雪佛兰博尔特和特斯拉Model 3没有被包括在内，因为它们还没有生产，精确的电池尺寸和范围还没有上市。表III中PHEV车辆的电池尺寸变化很大，从6到18千瓦时，所有电动范围从14到50英里（22到80公里）。显然，鉴于更多的里程意味着更高的电池成本，汽车制造商之间没有消费者可以接受的共识。这可能是2015年全球电动汽车销量高于PHEV销量的原因。就在几年前，PHEV还被广泛认为是汽车电气化的中间步骤，但似乎对电气化感兴趣的消费者宁愿直接使用电动汽车，也不愿至少在这个时候满足于使用PHEV。这种消费者的接受度将对总千瓦时生产的锂离子电池的体积产生深远的影响，并增加电池制造商的压力，以降低成本，增加其产品的比能量。

第二个主要的生产可能性领域是与电网的稳定和存储有关的储能。这一领域同样受到政府法规和激励措施的推动，使太阳能和风能发电等可再生能源本质上是断断续续的，以满足电力事业生产商和用户的需求。38.许多政府和私人示范项目正在世界各地进行，还有许多能源储存计划，包括替代储存装置，如泵送水力、压缩空气、飞轮等。以及许多电池类型，如流式电池（目前主要是水基电池）、铅酸、高温等锂离子等。虽然其他方法与这项工作无关，但事实是，许多演示涉及锂离子，因为保守的充电和放电机制可能有较长的周期寿命和日历寿命。此外，成本是使用锂离子的一个非常重要的驱动因素，但一些应用，如频率稳定，并不像成本那样敏感。如果采用锂离子电池进行这些应用，将对材料的可用性，特别是碳酸锂提出很大的要求。锂离子电池可能会采用一种非常保守的方法，而固有更安全的系统，如水流动电池将继续看到更多的创新，以实现低成本的目标。

为了考虑锂离子电池中特定能量改进的可能性，我们需要考虑现在存在的局限性，主要缺陷和可能的补救办法。

如前所述，锂离子电池的合金阳极已经研究多年，因为即使比c6锂化合物相比，其容量密度和比容量也要高得多。大多数合金的大体积变化会导致阳极颗粒上的保护层的破坏，从而限制了非水电解质中的腐蚀量。具有多种类型碳和处理温度的合金金属复合材料以及氮化物等各种其他导体导致了库仑效率的提高，因此许多公司现在似乎在负极中使用石墨和改性硅或锡的组合。预计这项工作将继续进行，阳极容量密度将继续改善，其他性能将保持良好。

目前的商用锂离子电池电解质将充电电位限制在4.2 V左右（但较低的电压LFP除外），这反过来又限制了目前的阴极材料可以接受的充电量。由于LiCoO2不稳定高电压由于氧气的损失，35行业发展非常谨慎应用更高的充电电压，事实上大多数生产商的充电方法是使用恒流电荷（通常在C/2或C率）约4.2 V和恒压电荷，直到电流下降到大约10%的初始值。这允许在充电器上以最短的时间获得完全的充电状态，同时避免突然的氧气损失和安全事件。其他材料，如NMC和NCA，在更高的电压下不会遭受氧气损失和安全问题，但电解质的氧化降解速度较慢，这限制了系统的循环寿命。这些损失是由于电解液溶液在较高的电位下对氧化的敏感性。许多研究人员尝试以NMC或NCA颗粒为例，得到了一些有希望的结果，但目前还没有制造商采用这种策略。众所周知，大多数电解质含有提高循环寿命的添加剂，但同样，制造商尚未实施使用添加剂来提高NMC或NCA的循环寿命。这两种方法都很有前途，两种方法的结合可能需要给足够的稳定周期寿命和日历寿命系统使用相对稳定的阴极NMC或NCA可能高达4.6 V充电潜力和比容量高达230Ah/公斤（改善细胞的基础上高达30%）。最近的研究老化通过时间（日历寿命老化）和通过循环研究循环周期的变化，阻抗和其他方法，已经验证腐蚀的主要影响负电极潜力和电荷状态（SOC）伴随着SEI增长和抛物线的退化。同时还证实了正极的降解，随着SOC的增加，并随着氧化物种从正极迁移到负极而对负极产生影响。还有一个次要效应，这可能是非常重要的（如LMO正极），锰离子（+2价）在低SOC下从正极溶解，并在负极进一步还原形成金属Mn。该锰由纳米晶体组成，可以作为催化剂，显著提高负极时的腐蚀速率。这些反应都可以通过明智地选择电解质添加剂来减少。少量的其他过渡金属离子，如LCO、NMC或LFP阴极的Co+3、Ni+2或Fe+3离子，可以溶解并迁移到负极，加剧负极的腐蚀，特别是在高温操作或存储下。毫无疑问，对电解质添加剂的研究将继续有助于改进锂离子电池。其他研究涉及使用新的溶剂成分，从而消除了碳酸乙烯（迄今为止所有商业锂离子电池中的一种成分）的使用对新型阴极活性材料进行了许多研究。两组人独立地发现，含有过量锂和锰的层状材料可以提供超过200 Ah/kg的比容量。阿贡国家实验室的萨克雷小组将材料46描述为复合材料，配方为： xLi2 MnO3·（1-x）LiMn0.5Ni0.5O2，其中点意味着LiMO2和Li2M‘O3成分的两个域的组合。达尔豪西大学的达恩小组描述了相同成分的材料，但写成Li[LixLi（1/3+2x/3）Mn（2/3-3/3）]o2，其中三个成分： Ni、Li和Mn是固体溶液。48.后来的工作探讨了在配方中加入钴和其他元素。该材料令人兴奋的方面是，当使用高达4.5 V作为充电限制时，高容量，高达250Ah/公斤。有几个缺点仍然值得研究。第一个电荷具有很高的不可逆容量，随后的电荷具有不同的轮廓，这意味着材料的结构发生了变化。该材料的功率能力相对较低。此外，循环寿命也不是很长，除非进行了仔细的粒子涂层，并且轮廓继续以缓慢的速度变化，平均电压下降，所以系统的功率能力继续恶化。这些问题和一些结构的复杂性在最近的综述中被描述。49-53从这些文件中可以清楚地看出，这些材料仍然存在许多问题，但继续努力改进它们的动机是很强烈的。Qui等人最近的一篇论文提出证据表明，二氧化碳对原始材料进行表面处理可以去除氧化离子（和锂离子），形成碳酸锂，而碳酸锂可以通过水洗涤去除。缺氧表面对循环和55]更稳定，功率能力（在1C循环时循环稳定），容量约为280~300Ah/kg。此外，与原始材料相比，氧空位的存在可以减少样品中的氧损失。然而，电压的损失变化不大，这表明需要做更多的工作。

法国大学的工作已经从以上的工作研究简单系列的化合物MO3，M是Mn+4，或阳离子平均价4如RuxMn1-x，55Ni0.5Te0.5,56RuySn1-y，57Ti1-y。58这些材料能够具有高容量，但证据表明不同程度的电压褪色，这与氧化物晶格中过氧化物配合物的稳定性与锂和高价离子与氧化离子的配位类型有关。这一提议类似于其他更稳定的双卤化合物，如二硫化铁（黄铁矿），它在整个结构中具有二硫化物二硫离子。钌的使用是阴极材料成本上的一个问题，但对充放电材料的结构影响的洞察揭示了许多这些高容量材料的行为。理论分析的材料以及新材料的伯克利集团塞德已经证实了环境的氧离子非常重要的可能性形成一个洞在一个给定的氧（代表氧化阴离子）或过氧离子（类似于提出的等）和进一步发展理论预测高容量为某些无序氧化物包含第二d块过渡金属离子如Nb和Mo。这项工作还解释了岩盐结构中特定化合物的结果，这些化合物已被证明具有锂离子的高容量和高扩散系数（良好的速率能力）。化合物是李1.25锰0.5Nb0.25O2 60 （≈1.3毫米0.4Nb0.3O2）和李1.21.31/3Ti1/31/32/15O2和推理两个额外材料Li1.25海里0.25锰0.5O2,61和李1.211莫0.467Cr0.3O2.62这项工作是令人兴奋的，因为它指向高容量与可用的材料。然而，大部分工作是在50C或更高的温度下进行的，这表明存在速率能力问题。

粘合剂的作用在上面和表四中提到了关于负极和正极界面的作用。南特大学圭约玛德的小组在最近的一篇综述中讨论了负极粘结剂的最新进展。63硅合金电极容量和循环稳定性的提高是惊人的，为高容量负极的未来提供了乐观。参考文献中给出了所谓的PEDOT：PSS（聚（3,4-乙二氧噻吩）：聚苯磺酸盐的聚苯乙烯）正极功能粘合剂（本例为LFP）的一个例子。64这种材料具有高导电性，并形成聚电解质悬浮液，也可作为具有良好流变学特性的粘结剂。添加剂的工作超出了本文的范围，但很明显，它们在所有锂离子电池中发挥着重要作用，必须结合粘合剂研究来完成界面反应的工作。

研究表明，对分离器的调查仍然很重要。正如上面讨论的安全方面的讨论，只有一个关于纳米纤维分离器的新工作被包括作为目前研究的典型参考。

最后，需要提到的是，一些研究人员正在研究锂离子电池结构的三维结构的可能性，包括多孔或膨胀的金属集热器。如果开发出生产友好型的概念，这将有助于提高电池密度和空间利用。下面是一个典型的阳极研究方法。

上面讨论的这些进展的结果，如果能实现，可以产生比能量为400 Wh/kg的锂离子电池，至少具有中等的功率密度。与今天最好的18650个电池容量为3400毫安时的电池相比，这将增加了约60%，并可能在未来几年内实现。这一前景证实了研究者的观点，即锂离子电池的未来继续光明，特别是如果制造商在制造过程和新设计中始终秉持着安全生产与制造的态度，那么锂电池行业将会具有无限可能。

5.4提高安全性和可靠性

安全性是锂离子电池技术中的一个严重问题;因此,正在研究许多旨在减少安全隐患的方法;不幸的是,所有这些都会降低比能量。因此,这些方法的实用价值取决于能否在能源和安全之间实现可接受的折衷。一种可能的策略是使用在电解质的稳定性窗口内运行的电极组合。一个不错的选择是 LTO,它在阳极侧以1.5 V 相对于 Li 的平坦电压平台发展,而 LFP 在阴极侧以3.5 V 相对于 Li 发展。

电解质是锂电池安全性的第三个关键成分。对目前的 LiFP6-有机碳酸盐溶液电解质的担忧是:相对狭窄的稳定性域阻碍了高压阴极的使用;蒸气压高,易燃,影响安全;与环境和人体健康不相容,造成严重的操作危险。正在努力提高锂电池电解质的安全性和可靠性,包括;添加剂以建立稳定的 SEI 或增强其热稳定性;氧化还原梭以防止过度充电;关闭分离器以防止热失控和;锂盐作为 LiPF6的替代品,以降低毒性。

其他更激进的方法考虑丢弃不安全的液态有机溶液以传递到更惰性的系统,最好是无溶剂的锂导电膜。好处是巨大的:通过固体配置提供了提高电池可靠性的具体承诺,同时提供了设计的模块化和易于处理。关于锂电池的聚合物电解质的大量参考书目存在。感兴趣的读者可以在一系列优秀的评论中找到细节,其中对该领域的主要成就进行了彻底的讨论和评估。在这里,我们将简要评论最有希望的选择。一个非常吸引人的可能性显然是使用完全固体、无溶剂的膜。尽管已经提出了各种此类聚合物系统,但今天的兴趣集中在基于均聚物的膜上,例如聚(环氧乙烷)、PEO,含有锂盐 LiX,例如三氟甲磺酸锂,LiCF3 SO3。

通过将化学惰性与相当好的锂离子传输相结合,PEO-LiX 膜原则上满足了作为高效电解质隔膜的主要要求。此外,这些膜允许使用金属锂阳极,在比能增强方面具有重要的反映。不幸的是,膜的离子电导率仅在高于70°C 的温度下保持在高水平,这是迄今为止阻碍其广泛实际应用的主要问题。为了解决这个问题,已经进行了许多研究。通过将选定的纳米颗粒尺寸的陶瓷添加剂分散在聚合物本体中已经取得了一些进展,扩大了有用的温度范围,但尚未达到使 PEO-LiX 膜适用于预期在环境下运行的电池的水平和低于环境温度。

另一方面,高温操作并不能完全排除这些膜在锂电池中的实际应用,特别是如果这些膜用于温度可能不是关键因素的汽车领域。因此,90年代就启动了锂聚合物电池开发的相关项目。从那时起,对这项技术的兴趣部分消失了。然而,全固态锂金属聚合物电池的概念仍然非常有吸引力,目前正在涉及电动交通的工业实验室中考虑。

通常情况下,使用具有能量吸引力的金属锂电极会引起一些担忧,因为锂镀层不均匀会导致枝晶形成,例如:沉积在纳米级突起上。如果在金属附近使用具有陶瓷硬化添加剂(例如二氧化硅粉末)的固体聚合物电解质,则可以部分防止这种情况。目前的重点是结合刚度和高离子电导率的复合电解质,例如嵌段共聚物或导电玻璃。聚合物电解质概念的内在价值继续引起工业界的关注,并且已经采用了一些折衷的方法,同时期望在无溶剂膜方面取得突破。最常见的折衷方案是使用通过将典型的液态锂离子溶液(例如 LiPF6-碳酸盐溶剂混合物)捕获在聚合物基质中形成的固液混合物,例如聚(丙烯腈)、PAN 或聚(偏二氟乙烯) PVdF,形成凝胶型聚合物电解质 PGE。 Bellcore 开发的基于 PvDF-HFP 的膜为这些聚合物膜的发展铺平了道路。

同样对于这类材料,有大量文献对 PGE 的特性和特性进行了详尽的描述。主要特点是高电导率,几乎可以与原始液体溶液相媲美;另一方面,通常与液体的存在相关的问题,例如安全可靠,无法完全避免。然而,GPE 目前被各种电池制造商用于制造所谓的"锂离子聚合物电池"LiPB。相关的例子是日本目前正在生产的那些,要么使用具有低含量 PVdF-HFP 聚合物基质的阻燃 GPE,要么使用基于可交联聚环氧烷聚合物混合物的 GPE。

另一类新兴的电解质是基于离子液体 IL 的电解质,即具有重要特定特性的低温熔盐。通常,ILs 是由弱相互作用的大阳离子(例如阳离子)的组合形成的。咪唑型和柔性阴离子,例如N,N-双(三氟甲磺酰基),酰亚胺(TFSI)。

ILS具有非挥发性、不易燃、高导电性、环保性,并且可以在很宽的温度范围内安全运行。这种有利特性的独特组合使 ILs 成为非常有吸引力的材料,作为锂电池中稳定和安全的电解质介质世界各地的许多实验室都在从事 ILs 的研究,目的是确定其作为锂电池电解质的有效潜力。然而,结果在一定程度上是矛盾的,尤其是在定义锂导电、基于 IL 的溶液的电化学稳定性方面。最普遍认为,这些溶液具有较差的阴极稳定性极限,这与咪唑类阳离子在1.5 V 对 Li 左右通过电化学去质子化而降低的趋势有关。这显然阻止了基于 IL 的解决方案与常见的低压阳极材料(例如锂金属、石墨甚至 Li4 Ti5 O1)一起使用。许多研究正在通过开发基于比咪唑鎓家族更能抵抗还原的阳离子来规避这个问题。通过转移到没有酸质子的脂肪族季铵阳离子,已经获得了有希望的结果,因此,预期具有延伸到低电压的稳定性域。一个很好的例子是通过将 N-n-丁基-N-乙基-吡咯烷阳离子与 N,N-双(三氟甲磺酰)亚胺阴离子结合形成的 IL,其中 N,N-双(三氟甲磺酰)亚胺锂作为溶解的锂盐。另一类新兴的电池离子液体是使用 FSI 而不是 TFSI 作为阴离子。

离子液体的一个缺点是它们的成本仍然高得令人望而却步,尽管如果扩大生产规模预计价格会下降。同时,考虑到实际的高成本,ILs,而不是全电解质介质,很可能被用作普通有机液体电解质溶液的添加剂。

6.新一代锂电池

目前许多新兴商业电池采用的当前方法只考虑涉及阴极的创新。有更多进取心的制造商正在考虑开发具有两种创新组件的电池,通常是阳极和阴极。使用电极组合的电池预计比目前的 C-LiCoO 运行更安全,是第二类新型先进锂离子电池的有效例子。最常见的是,这些电池利用 LTO-LFP 对保持标准的 LiPF6-碳酸盐溶剂、液体电解质。正如已经提到的,两个电极都在电解质的稳定性域内工作,因此,相对于传统的 C-LiCoO 化学,有望获得可靠性。通过将1.5 V Li4 Ti5 O1阳极与3.5 V LiFePO4阴极相结合,可以获得在 V 范围内工作的锂离子电池。这些电池的概念最初是在学术实验室中构思和实验证明的,现在电池制造商正在考虑将其用于市场生产。

对这些电池的一个可能的批评是它们的电压水平低于传统的 C-LiCoO 系统。然而,这一明显的缺点被提高的安全性和可能的成本降低所抵消,即在确保锂离子电池在新兴市场使用的最关键的两个方面。此外,必须注意的是,通过适当重新设计电极组合,即用更高电压的阴极代替3.5 V LiFePO4,可以将电压提高到更高的水平;选择范围很广,这种升级策略有多种可能的候选方案。.5 V Li4 Ti5 O1/LiMn O4、锂离子技术和3.0 V Li4 Ti5 O1/LiNi0.5 Mn1.5 O4电池是此类升级的两个可能候选者。

电极组件的更新换代无疑是锂离子电池技术进步的一大进步。然而,即使更换了阳极和阴极,也不能保证对电池性能的完全信任,因为与传统化学相关的一些问题可能无法完全预防。液态有机溶液仍用作隔膜中的电解质,可能会引发不可预知的反应,从而影响电池的安全性。该领域的真正突破在于革命性的电池设计,其中所有三个传统组件都被移除,有利于替代、更高效和更安全的材料。据我们所知,除了 SONY Nexelion 电池之外,这些完全更新的电池还没有一款能够进入商业开发阶段,尽管目前尚不清楚 SONY 采用的阴极是否真的是一个新概念。

然而,这项任务并非不可能:大量锂离子电池文献中提供的大量材料为确定先进电池类型的正确配方提供了真正的可能性。显而易见的方法是开发使用更新的电极组合(如上面讨论的那些)的配置,这种电池有望提供出色的性能。

另一个相关的例子是电池使用 SnC/LiNi0.5 Mn1.5 O4电极组合与 GPE。这里的例子表明,通过巧妙地选择目前可用的新电极和电解质材料,可以有效地开发新型先进的锂离子电池。

7.未来的锂电池

从前，由于索尼公司的开发和营销，锂离子电池首次进入市场。锂离子电池的实现迅速，在容量、能源、功率和成本降低方面不断取得显著进展。安全仍然是该行业的一大问题，但分离器技术的发展改善了更安全电池的前景。随着新材料的进展，预计，随着锂离子电池在活性材料、惰性材料和电池设计中的成功实施，其所有的性能将继续提高。

最后,锂电池发展的一条引人入胜的新路径是通过受自然界常见事件启发的选择来使用有机材料。主要基于有机材料的生命化学使用与生化反应循环相关的可再生过程,最重要的例子是光合作用,使用叶绿素作为有机介质。与此过程类似,挑战在于开发可通过绿色化学从生物质中合成的有机锂电池电极材料,这些材料易于回收。基本目标是通过使用不产生二氧化碳的循环过程来开发锂离子电池。

8.结论

综上所述，工业4.0是一个新的工业领域，这是新技术（数字技术和互联网技术）的出现和分销的结果，这些新技术允许开发完全自动化的生产流程，只有未经人类参与而交互的物理物体才能参与其中。工业4.0创造了传统的工业产品和新的工业产品，这些产品无法在实体经济的其他领域制造。

工业4.0的形成和发展过程影响着经济体系的所有领域，包括社会领域，社会领域的特点是与人类适应新经济条件的必要性相关的实质性变化。因此，企业家利用工业4.0提供的可能性优化业务流程，员工（工业专家）要么掌握工业4.0中必不可少的新能力，要么在另一个领域寻找工作，消费者掌握新的工业产品。

虽然目前工业4.0是工业发展的新载体，仅在某些发达国家有代表性，并占其实体部门的一小部分，但未来工业4.0的形成可能会导致其他工业领域的逐步现代化。这意味着被视为工业领域的工业4.0有可能改变现有的技术模式。

其部门归属不是由已发布的产品定义的，而是由生产过程的组织定义的。工业4.0提供的新工业模式的普遍性使任何工业产品都能生产。这为新的工业革命开辟了可能性，因此工业4.0将成为一个新的全球工业里程碑和标准，整个全球经济体系的实体经济部门将以此发展。而锂电池行业的发展，不仅带动了兴能源产业的发展，也推动了工业4.0的技术升级，只有不断创新，在已有的技术基础上发展出符合产业发展的新技术才能推动企业经济的发展。

锂电池技术的发展速度如此之快,以至于对其进展的评估可能很容易过时。考虑到这一点,我们试图对电极和电解质材料的类型进行一些考虑,基于其相关的电化学、形态和工程设计,预计这些材料将影响这些重要电源在能量和循环方面的进展表现。

材料选择的相关性是显而易见的。关键的电池参数,例如比能量和功率、安全性和循环寿命,显然取决于电极和电解质的性能。然而,这些可以通过优化它们的形态来适当地增强,如果不修改的话。可以通过改用纳米结构来规避诸如电极动力学缓慢和与循环时大体积膨胀和收缩相关的破坏性应变等问题。此外,纳米结构可以改变反应途径,对容量、功率和可逆性产生积极影响。

我们首先讨论和评估了有望在不久的将来达到工业规模的修改。这种演变是由各种学术和工业实验室之间为升级锂电池(主要是锂离子类型)而进行的激烈竞赛所推动的,用于汽车行业,例如。适用于 HEV、PHEV 和未来的 EV,以及光伏电池发电厂。这方面的进展是值得注意的,新的、与汽车兼容的锂离子电池即将面世。由锂离子电池驱动的 PHEV 的道路生产已经由全球领先的汽车制造商宣布。这些电池的发展已被推动以满足汽车行业的需求;然而,到目前为止,仅涉及一个或最多两个电池组件的适度更改已在商业上提出,始终保持基于插入过程的整体化学性质。

这些进展绝不是详尽无遗的。锂离子电池的发展对创新持开放态度,这些创新将使其成为未来电池的佼佼者。锂电池结构需要彻底改变，比如化学方面的变化,例如迄今为止用于开发公路运输电池的那些变化,是不够的。然而,关键问题仍有待解决,必须牢记,剩余挑战的解决将需要一系列跨学科研究的共同努力,其成功将关键取决于交流思想和总结结果的效率。

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