1 锂离子电池的结构特点
锂离子电池的正负极活性物质均为嵌入化合物，充电时Li+从正极脱出，经过电解质插入到负极；放电时则相反，电池的充放电过程实际上是Li+在两个电极之间来回嵌入和脱出的过程，故这种电池又称为“摇椅电池”（Rocking Chair Batteries，缩写为RCB）。其反应示意图及基本反应式如下所示：
2. 聚合物锂离子电池技术
2.1 聚合物锂离子电池的性能特点
聚合物锂离子电池是指电解质使用固态聚合物电解质（SPE）的锂离子电池。电池由正极集流体、正极膜、聚合物电解质膜、负极膜、负极集流体紧压复合成型，外包封铝塑复合薄膜，并将其边缘热熔封合，得到聚合物锂离子电池。由于电解质膜是固态，不存在漏液问题，在电池设计上自由度较大，可根据需要进行串并联或采用双极结构。
聚合物锂离子电池具有以下特点：①塑形灵活性；②更高的质量比能量（3倍于MH-Ni电池）；③电化学稳定窗口宽，可达5V；④完美的安全可靠性；⑤更长循环寿命，容量损失少；⑥体积利用率高；⑦广泛的应用领域。
其工作性能指标如下：工作电压：3.8V；比能量：130Wh/kg，246Wh/L；循环寿命：＞300；自放电：＜0.1%/月；工作温度：253-328K；充电速度：1h达到80％容量；3h达到100%容量；环境因素：无毒。
2.2 正极材料
锂离子电池的特性和价格都与它的正极材料密切相关，一般而言，正极材料应满足：⑴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；⑵温和的电极过程动力学；⑶高度可逆性；⑷全锂状态下在空气中稳定性能好。随着锂离子电池的发展，高性能、低成本的正极材料研究工作在不断地进行。目前，研究主要集中于锂钴氧化物、锂镍氧化物和锂锰氧化物等锂的过渡金属氧化物[1]（见表1）。锂钴氧化物（LiCoO2）属于α-NaFeO2型结构，具有二维层状结构，适宜锂离子的脱嵌。由于其制备工艺较为简便、性能稳定、比容量高、循环性能好，目前商品化的锂离子电池大都采用LiCoO2作为正极材料。其合成方法主要有高温固相合成法和低温固相合成法，还有草酸沉淀法、溶胶凝胶法、冷热法、有机混合法等软化学方法。
锂镍氧化物（LiNiO2）为岩盐型结构化合物，具有良好的高温稳定性。由于自放电率低、对电解液的要求低、不污染环境、资源相对丰富且价格适宜，是一种很有希望代替锂钴氧化物的正极材料。目前LiNiO2主要通过Ni（NO3）2、Ni（OH）2、NiCO3、NiOOH和LiOH、LiNO3及LiCO3经固相反应合成。LiNiO2的合成比LiCoO2困难，其主要原因是在高温条件下化学计量比的LiNiO2容易分解为Li1-xNi1+xO2，过量的镍离子处于NiO2平面之间的锂层中，妨碍了锂离子的扩散，将影响材料的电化学活性，同时由于Ni3+比Co3+难得到，因此的合成必须在氧气气氛中进行[2]。
锂锰氧化物是传统正极材料的改性物，目前应用较多的是尖晶石型LixMn2O4，它具有三维隧道结构，更适宜锂离子的脱嵌。锂锰氧化物原料丰富、成本低廉、无污染、耐过充性及热安全性更好，对电池的安全保护装置要求相对较低，被认为是最具有发展潜力的锂离子电池正极材料。Mn溶解、Jahn-Teller效应及电解液的分解被认为是导致锂锰氧化物为正极材料的锂离子电池容量损失的最主要原因。
2.3 固态聚合物电解质
以离子传导电流的固体材料通常被称之为固体电解质，它包括晶体电解质、玻璃电解质和聚合物电解质三种类型，其中固态聚合物电解质（SPE）具有质轻、易成膜、粘弹性好等优点，可用于电池、传感器、电致变色显示器和电容器等方面。将SPE用于锂离子电池，可排除液体电解质易泄漏的问题，取代电池中的隔离膜，抑制电极表面枝晶的产生，降低电解质与电极的反应活性，提高电池的比能量，使电池具有耐压、耐冲击、生产成本低和易于加工等优点。
常规的固态聚合物电解质（SPE）由聚合物与锂盐构成，它是锂盐溶于聚合物而形成的电解质体系。通常分子链上含有能与Li+发生配位作用的氧、氮、硫等极性基团的聚合物可用来形成该类体系，如：聚氧化乙烯（PEO）、聚氧化丙烯、聚氧杂环丁烷、聚乙烯亚胺、聚（N-丙基-1氮杂环丙烷）、聚硫化亚烃等。作为硬酸的Li+倾向于和硬碱发生相互作用，所以锂盐在含氮、硫极性基团的聚合物中的溶解度较在含氧极性基团的聚合物中小，电导率（σ）很低而没有实际的意义；PEO分子的构象比其它聚醚分子更有利于与阳离子形成多重配位，能溶解更多的锂盐，表现出好的导电性能，因此PEO+锂盐体系就成为SPE中最早和最广泛研究的体系。
但是常规的固态聚合物电解质（SPE）的σ室温通常小于10-4S·cm-1，为满足锂离子电池的要求，在聚合物/盐体系中加入能促进锂盐离解、增加体系的自由体积分数并降低其玻璃化转变温度（Tg）的增塑剂，可得到σ室温大于10-3S·cm-1的凝胶SPE。增塑剂通常是高介电常数、低挥发性、对聚合物/盐复合物具有可混性和对电极具有稳定性的有机溶剂。如碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二甲酯、N-甲基吡咯烷酮、环丁砜、γ-丁内酯等。常用的锂盐有LiPF6、LiN（SO2CF3）等。
运用XRD、DSC和交流阻抗等测试手段，对影响聚合物电导率的因素作了初步探讨。
⑴锂盐浓度对电导率的影响
当锂盐的浓度较低时，聚合物电解质的电导率是比较低的，仅为10-8数量级。在锂盐浓度逐渐增大的过程中，由于载流离子浓度的增大，电导率也随之增大；而当盐的浓度继续增大时，高的离子浓度导致了离子间的相互作用力增强，使载流离子的淌度减小，致使电导率下降。
⑵增塑剂浓度与Tg的关系
随着增塑剂的增加，聚合物电解质的玻璃化转变温度逐渐减小，加快了聚合物电解质在室温时的链段运动，因此它的导电能力也随着增大。虽然增塑剂浓度的增加，大大提高了聚合物电解质的电导率，但同时也降低了聚合物电解质膜的自支成膜性和机械强度。若将预聚物、增塑剂和锂盐共混，利用光或热引发聚合反应，通过化学键形成具有网状结构的凝胶SPE，这样得到的SPE不仅具有良好机械性能，而且抑制了聚合物结晶，提高了SPE中增塑剂的含量，可以获得高σ的SPE。
2.4 负极材料
锂离子电池的容量在很大程度上取决于负极的锂嵌入量，其负极材料应满足如下要求：⑴锂的脱嵌过程中电极电位变化较小，并接近金属锂；⑵有较高的比容量；⑶较高的充放电效率；⑷在电极材料的内部和表面Li+均具有较高的扩散速率；⑸较高的结构、化学和热稳定性；⑹价格低廉，制备容易。目前有关锂离子电池负极材料的研究工作主要集中在碳材料和具有特殊结构的其它金属氧化物。
一般制备负极材料的方法如下：①在一定高温下加热软碳得到高度石墨化的碳；②将具有特殊结构的交联树脂在高温下分解得到硬碳；③高温热分解有机物和高聚物制备含氢碳。
碳负极材料要克服的困难就是容量循环衰减的问题，即由于固体电解质相界面膜（Solid electrolyte interphase，简称SEI）的形成造成不可逆容量损失。因此制备高纯度和规整的微结构碳负极材料是发展的一个方向。
真正的聚合物锂离子电池是指仅用聚合物和盐形成的全固态的电解质的锂离子电池，最早有Wright用PEO和锂盐的直接混合得到，但这种全固态电解质的电导率，特别是室温电导率几乎无法满足要求，没有大规模应用。
然后人们发现增加增塑剂的固态电解质的室温离子电导比原来有数量级的提高了，基本上可以达到使用的要求，但和液态相比，仍有两个数量级的差距。
目前所称的聚合物锂电池大概可以分为两大类：一类是纯液态锂离子电池软包装（这种电池的生产商包括了国内的大部分聚合物电池公司），另一类是凝胶型锂离子电池。凝胶型锂离子电池相当于是加入了大量的增塑剂的胶状的电解质，没有可流动的液体存在。
而凝胶型电解质又可以分为两大类：ATL的Bellcore技术是一类，另一类就是以日本企业为代表的“原位凝胶技术”，下面分别简单介绍：
Bellcore技术采用PVDF-HFP共聚物经过一定工艺自成膜，然后卷绕，注液后PVDF吸水膨胀形成胶状电解质。
原位凝胶技术使用通用PP/PE隔膜，在电解液中加入了聚合物单体和引发剂，注液后，电池需要在一定的温度下引发聚合物单体聚合形成凝胶。
锂离子电池使用的是液体电解质, 而聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替, 这种聚合物可以是“干态”的,也...此外,聚合物锂离子电池在工作电压、充放电循环寿命等方面都比锂离子电池有所提高
在液态锂离子电池首次充放电过程中，电极材料与电解液在固液相界面上发生反应形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。这种钝化层是一种界面层，具有固体电解质的特征，这层钝化膜被称为固体电解质界面膜简称SEI膜。
SEI膜的形成过程，即电化学反应过程。在电压达到一定值时，在负极表面会发生一系列的物理化学变化。在实际生产中，主要是电池化成这一步形成膜的。
扩展资料
锂枝晶生长是影响锂离子电池安全性和稳定性的根本问题之一。锂枝晶的生长会导致锂离子电池在循环过程中电极和电解液界面的不稳定，破坏生成的固体电解质界面（SEI）膜，锂枝晶在生长过程中会不断消耗电解液并导致金属锂的不可逆沉积，形成死锂造成低库伦效率。
锂枝晶的形成甚至还会刺穿隔膜导致锂离子电池内部短接，造成电池的热失控引发燃烧爆炸。关于锂枝晶的生长机理在学术界还存在争论。由于锂离子电池怕水怕氧，常用的表征SEI的技术手段非常有限。
利用各种电镜技术在纳米尺度理解锂枝晶生长的演化过程对解决这一问题至关重要。常规的透射电镜由于高能粒子的照射，容易引起SEI及电极结构的破坏。
虽然低温冷冻电镜能够解决这一问题，但是由于使用条件的限制，在实验中无法使用常温电解液，也无法实现原位观察。
有学者在前期利用原位电化学原子力显微镜（EC-AFM）对锂离子电池多种负极材料SEI膜成膜机理进行深入研究的基础上，利用SEI膜成膜电位比金属锂沉积电位更正的特点，设计了两步法研究锂枝晶的实时原位观察实验。
研究者可通过利用EC-AFM实时研究以碳酸乙烯酯（EC）和氟代碳酸乙烯酯（FEC）为基础电解液的SEI膜的生长过程，并在此基础上进行原位锂枝晶的生长观察。
通过对这两种电解液所形成的SEI膜的杨氏模量、CV图谱及EIS阻抗谱分析，结合XPS光谱分析，研究者发现FEC电解液所形成的SEI膜中含有较多的LiF无机盐，由于LiF具有较好的硬度和稳定性，使得SEI膜具有较高强度，能够有效抑制锂枝晶生长。
参考资料
百度百科-界面特性
百度百科-氟代碳酸乙烯酯
百度百科-锂枝晶
在碳达峰和碳中和背景下，加速动力系统电动化成为新能源汽车发展的必然趋势。随着能量密度的提升日益凸显，作为新能源汽车动力系统的关键技术，锂电池的安全隐患自燃、爆炸等电池热失控现象频频发生，热失控事故已成为制约锂离子电池进一步推广与规模化应用的瓶颈问题。提高电池安全性也成为新能源产业健康持久发展的先决条件。
揭示电池热失控机理和开发高安全性电池体系成为当前电池领域亟需解决的关键课题。中科院青岛生物能源与过程研究所固态能源系统技术中心一直深耕于构建高比能、高安全性锂电池体系，取得了突破性进展。3月14日，相关研究成果在线发表在《焦耳》上。
对于电池失控的研究分析，追根溯源，首先要了解其失控的引发反应。通过滴定-质谱联用手段，固态能源系统技术中心证明了锂金属负极氢化锂（LiH）的存在，并且定量分析出LiH的积累量与实际锂金属电池的可循环性呈负相关，揭示了锂金属电池失效的关键机理。
同时，在充分总结电池材料热稳定性及其热特性基础上，科研人员提出，电池材料（电极材料/电解质/添加剂等）之间的热兼容性对电池安全性至关重要，单纯提高某一组分的热稳定性并无法确保电池整体安全性能的提升。鉴于此，该团队通过原位/非原位耦合手段对三元高镍电池(NCM523)失效机理进行了材料-电池层级的探索，开创性地在NCM三元电池负极侧发现H-离子的存在，且证实了该组分与电解液具有较差的热兼容性，成为诱导电池升温过程中链式放热反应的主要触因。
此外，通过自主设计的原位检测电池材料热失控气体穿梭测试装置及方法，证明了石墨负极侧产生的H2可穿梭至正极侧，从而加速剧烈放热行为，成为引发电池热失控的关键触因。
近年来，续航里程的焦虑也对锂电池的能量密度提出了更高要求，而传统锂离子电池的理论能量密度正接近其极限（350 Wh/kg）。相比于石墨负极，金属锂具有极低的电极电位和极高的理论比容量，被认为是下一代高能量密度电池的有力竞争者。金属锂负极搭配硫正极的锂硫（Li-S）电池因其超高的理论能量密度（2500 Wh/kg）而成为最具吸引力的电池体系之一，极具商业潜力。不过其热安全评估的研究步伐却明显滞后。固态能源系统中心科研人员系统地研究了Li-S软包中电解质/电极的热兼容性、多硫化物穿梭对电池热安全的影响以及电解质的分解路线，揭示了Li-S电池的放热链式反应最初是由硫正极衍生物与电解液溶剂反应引发，然后由锂金属负极与电解液以及熔融硫的反应加速。
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