锂离子电池（简称LIB）是一种可充电电池，最早由埃克森美孚(Exxon)的化学家斯坦利·惠廷汉姆(M Stanley Whittingham)于20世纪70年代提出。锂离子电池通常用于便携式电子设备和电动汽车，并且在军事和航空航天应用中日益流行。[1]
在电池中，锂离子在放电过程中从负极移动到正极，在充电过程中返回。与不可充电锂电池中使用的金属锂相比，锂离子电池使用嵌入锂化合物作为电极材料。电池具有高能量密度，没有记忆效应（除了LFP电池）[2] 和低自放电。然而，它们可能是一种安全隐患，因为它们含有易燃电解质，如果损坏或充电不当，可能导致爆炸和火灾。锂离子电池起火后，三星被迫召回 Galaxy Note 7手机， 波音787上也发生过几起电池事故。
化学、性能、成本和安全特性因LIB类型而异。手持电子设备大多使用基于钴酸锂的LIBs(LiCoO2)，这种电池能够提供高能量密度但存在安全风险，[3] 尤其是损坏的时候。磷酸铁锂(LiFePO4)、锂离子氧化锰电池(LiMn2O4, Li2MnO3、或LMO)和锂镍锰钴氧化物(LiNiMnCoO2 或NMC)提供更低的能量密度，但寿命更长，着火或爆炸的可能性更小。这种电池广泛用于电动工具、医疗设备和其他用途。尤其是在汽车应用方面，NMC是领先的竞争者。
锂离子电池的研究领域包括寿命延长、能量密度、安全性、成本降低和充电速度[4] 等。对水基锂离子电池的研究也在进行中，这种电池显示出较少的安全隐患，因为它们使用不易燃的电解质。[5]
Cell 是包含电极、隔板和电解质的基本电化学单元。[6]
Battery 或者 battery pack（电池组） 是电池（cell）或电池组件(cells)的集合，带有外壳、电气连接，可能还有用于控制和保护的电子设备。[7][8]
对于可充电电池（cells），术语 阴极 指在放电循环中发生还原 的电极。对于锂离子电池 阳极 (“阴极”)是锂基的一极。
锂电池是由现工作于宾汉姆顿大学（ Binghamton University）的英国化学家斯坦利·惠廷翰（M Stanley Whittingham）在上世纪70年代为埃克森美孚公司(Exxon)工作时提出的。[9] 惠廷翰使用硫化钛（四价）和金属锂作为电极。然而，这种可充电锂电池永远无法实现。二硫化钛不是一个好的选择，因为它必须在完全密封的条件下合成，而且非常昂贵(20世纪70年代二硫化钛原料每公斤约1000美元)。当暴露在空气中时，二硫化钛会反应生成硫化氢化合物，这种化合物有一种难闻的气味，对大多数动物都有毒。出于这个以及其他原因， 埃克森公司停止了惠廷翰锂-钛二硫化物电池的开发。[10] 带有金属锂电极的电池存在安全问题，因为锂是一种高活性元素；当它暴露在水中时会被点燃，形成氢氧化锂和氢气。[11] 在正常情况下，它是一种被氢氧化锂、碳酸锂或氧化锂钝化的闪亮的金属，在与潮湿和干燥空气接触时会降解。因此，研究转向了开发电池，在这种电池中，不含金属锂，只含锂化合物，能够接受和释放锂离子。
1974年至1976年， J.O.贝森哈德（J. O. Besenhard）在慕尼黑工业大学（TU Munich）发现石墨可逆插层[12][13] 和阴极氧化物插层。[14][15] 贝森哈德提出了它在锂电池中的应用。[16][17] 电解质分解和溶剂共嵌入石墨是电池寿命的严重早期缺陷。
锂离子电池的性能和容量随着发展而提高。
截至2016年，全球锂离子电池产能为28千兆瓦时，中国为16.4千兆瓦时。[55]
2012年，工业生产了大约6.6亿个圆柱形锂离子电池；到目前为止，18650尺寸的圆柱形电池最受欢迎。2014年的一项研究预测，如果特斯拉在2014年实现了运输40，000辆S型电动汽车的目标，并且使包含7，104个这种电池单元的85千瓦时电池在海外和美国一样受欢迎，仅S型电池就将使用2014年全球圆柱形电池产量的近40% 。[56] 截至2013年，生产逐渐转向容量更高的3000+毫安时电池。2013年，扁平聚合物电池的年需求量预计将超过7亿。[57]
2015年的成本估计为300-500美元/千瓦时。[58]
2016年，通用汽车透露他们将为雪佛兰博尔特电动车的电池支付每千瓦时145美元 。[59]
根据2016年与被告之一索尼初步达成和解的集体诉讼披露，2011年全球主要锂离子电池制造商之间存在一项长期反垄断违规定价阴谋，该阴谋在2000年至2011年期间人为将价格维持在高位。[60] 该投诉提供了参与者包括LG、三星SDI、三洋、松下、索尼和日立的证据，并指出三洋和LG“对锂离子电池非法定价认罪”。[60]
索尼同意支付2000万美元，除其他外，还通过让原告选择的员工接受采访、作证和作证进行合作，并提供关于该计划的澄清信息和迄今为止提供的文件，包括回答认证和澄清问题。[61]
锂离子电池的三个主要功能部件是正极和负极以及电解质。通常，传统锂离子电池的负极由碳制成。正极是金属氧化物，电解质是有机溶剂中的锂盐。[62] 电极的电化学作用在阳极和阴极之间发生逆转，这取决于流过电池的电流方向。
最受商业欢迎的阳极(负极)是石墨。正极通常是以下三种材料之一：层状氧化物（如钴酸锂）、多聚阴离子（如磷酸铁锂）或尖晶石（如锂锰氧化物）。[63] 最近，石墨烯基电极(基于石墨烯的二维和三维结构) 也被用作锂电池的电极。[64]
电解质通常是有机碳酸盐的混合物，例如含有锂离子络合物的碳酸乙烯酯或碳酸二乙酯。[65] 这些非水电解质通常使用非配位阴离子盐如六氟磷酸锂(LiPF6)，一水六氟砷(V)酸锂(LiAsF6)，高氯酸锂(LiClO4)，四氟硼酸锂(LiBF4)和三氟甲磺酸锂(LiCF3SO3)。
根据材料的选择，锂离子电池的电压、能量密度、寿命和安全性会发生显著变化。最近，使用纳米技术的新型架构已被用于提高锂离子电池的性能。剧烈的变化会导致危险的极性逆转。
纯锂的活性很高。它与水剧烈反应，形成氢氧化锂(LiOH)和氢气。因此，通常使用非水电解质，并且密封容器严格地将水气排除在电池组外。
锂离子电池比NiCd电池更贵，但工作温度范围更宽，能量密度更高。它们需要一个保护电路来限制峰值电压。
一部笔记本电脑的电池组中每个锂离子电池将包含
这些组件
它们的设计将短路的风险最小化。[66]
锂离子电池(不同于整个电池)有多种形状，通常可分为四组:[67]
圆柱形电池以独特的“卷筒蛋糕”方式制造（在美国被称为“果冻卷”），这意味着它是由正极、隔膜、负极和隔膜卷成的单个长“三明治”。这种构造方法的主要缺点是电池将具有更高的串联电感。
没有外壳使电池具有最高的重量能量密度；然而，对于许多实际应用，当它们的荷电状态(SOC)水平较高时，它们仍然需要外部遏制手段来防止膨胀，[68] 以及维持它们所组成的电池组的总体结构稳定性。刚性塑料电池和袋状电池由于其矩形形状有时被称为棱柱形电池。
自2011年以来，几个研究小组已经宣布了将阴极或阳极材料悬浮在水溶液或有机溶液中的锂离子流动电池演示。[69][70]
2014年，松下制造了最小的锂离子电池。它是针形的。它的直径为3.5毫米，重量为0.6克。[71] 早在2006年，就有一种类似于普通锂电池的硬币电池外形单元的LiCoO2 电池推出，通常用“LiR”前缀指定。[72][73]
锂离子电池电化学反应中的反应物是负极和正极，电解质为锂离子在电极之间移动提供导电介质。当电子分别在放电或充电过程中流经外部电路时，电能从电池流出或流入电池。
两个电极都允许锂离子通过一个叫做 嵌入或 脱嵌 的过程进出它们的结构。由于锂离子在两个电极之间来回“摇摆”，这些电池也被称为“摇椅电池”或“摇摆电池”(一些欧洲行业给出的术语)。[74][75] 在放电过程中，(正极)锂离子通过电解液从负极(阳极)(通常是石墨= ”“如下图所示)，移动到正极(阴极)(形成锂化合物)，同时电子以相同的方向流过外部电路。[76] 当电池充电时，相反的情况发生在锂离子上，电子以较高的能量状态回到负极。下面的等式举例说明了这一化学过程。
锂掺杂氧化钴衬底的正电极(阴极)半反应为：[77][78]
石墨负极(阳极)半反应为:
整个反应(从左到右：放电，从右到左：充电)是：
总体反应有其局限性。过放电会使钴酸锂过饱和，可能通过以下不可逆反应导致产生氧化锂[79] :
高至5.2伏的过充电导致钴(IV)氧化物的合成，如x射线衍射所示:[80]
在锂离子电池中，锂离子通过氧化过渡金属钴(Co)进出正极或负极 ，在充电过程中，在 Li1-xCoO2 中， Co3+ 转变为 Co4+ ，在放电过程中， Co4+ 转换为 Co3+ 。钴电极反应仅对x < 0.5 (x以摩尔单位表示)可逆，限制了放电深度允许值。这种化学物质被用于索尼在1990年开发的锂离子电池中。
电池的能量等于电压乘以电荷。每克锂代表法拉第常数/6.941或13，901库仑。在3 V时，每克锂能够给出41.7千焦热能，或每千克11.6千瓦时电能。这比汽油的燃烧热要高一点，但没有考虑锂电池中的其他材料，这些材料使锂电池的重量是每个能源计量单位的两倍。
电化学部分给出的电池电压大于水溶液电解的电势。
液体电解质
锂离子电池中的液体电解质由锂盐组成，例如在有机溶剂如碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸二乙酯中的LiPF6， LiBF4 或者 LiClO4 。[81] 液体电解质充当放电期间阳离子从负极向正极移动的导电路径。液体电解质在室温下( 20 °C (68 °F) )的典型电导率在10 mS /cm范围内，在40°C(104°F)时增加约30-40%，在0°C(32°F)时略有下降。[82]
线性和环状碳酸酯（例如碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯）的组合提供了高导电性和固体电解质界面形成能力。
有机溶剂在充电过程中很容易在负极上分解。当使用合适的有机溶剂作为电解质时，溶剂在初始充电时分解并形成固体层，称为固体电解质界面，[83] 这是电绝缘的，但能提供显著的离子导电性。这种界面防止电解质在二次充电后进一步分解。例如，碳酸乙烯酯在相对高的电压0.7v （vs Li）下分解，形成致密稳定的界面。[84]
在水基电池中形成SEI已经被证明是可能的。具有非常高浓度特定锂盐的含水电解质在阳极电极上形成薄的保护层，这在以前被认为只发生在非含水电解质中。[85]
基于聚氧乙烯的复合电解质提供了相对稳定的界面。[86][87] 它可以是固体(高分子量)并应用于干聚合物电池，也可以是液体(低分子量)并应用于常规锂离子电池。
室温离子液体是限制有机电解质易燃性和挥发性的另一种方法。[88]
固体电解质
电池技术的最新进展包括使用固体作为电解质材料。其中最有希望的是陶瓷。[89]
固体陶瓷电解质大部分是锂金属氧化物，由于锂的固有特性，这使得锂离子更容易在固体中传输。固体电解质的主要好处是没有泄漏的危险，这对于使用液体电解质的电池是一个严重的安全问题。[90]
固体陶瓷电解质可以进一步分为两大类：陶瓷和玻璃。陶瓷固体电解质是高度有序的化合物，其晶体结构通常具有离子传输通道。[91] 常见的陶瓷电解质是锂离子导体(LISICON)和钙钛矿。玻璃态固体电解质是由与陶瓷固体电解质类似的元素组成的无定形原子结构，但是由于晶界处的更高电导率，总体上具有更高的电导率。[92]
玻璃电解质和陶瓷电解质都可以通过用硫代替氧来提高离子导电性。硫的半径越大，极化能力越强，锂的导电性就越高。这使得固体电解质的电导率与液体电解质接近相等，大多数在0.1 mS/cm，最好的可达到10 mS/cm。[93]
在放电过程中，锂离子(Li+)通过非水电解质和隔膜将电池内的电流从负极输送到正极。[94]
在充电期间，外部电源（充电电路）施加过电压（高于电池产生的相同极性电压），迫使充电电流在电池内从正极流向负极，即在正常条件下沿放电电流的相反方向流动。然后锂离子从正极迁移到负极，在那里它们通过一种称为嵌入的过程嵌入到多孔电极材料中。
在典型操作条件下，由电极层之间的界面和与集电器接触处的电接触电阻引起的能量损失，可能高达电池总能量流的20% [95]。
单个锂离子电池和完整的锂离子电池的充电程序略有不同。
在恒流阶段，充电器以稳定增加的电压向电池施加恒流，直到达到每个电池的电压极限。
在平衡阶段，充电器降低充电电流（或循环充电开和关以降低平均电流），同时由平衡电路将单个电池的充电状态带到相同水平，直到电池平衡。一些快速充电器跳过了这个阶段， 一些充电器通过独立给每个电池充电来实现平衡。
在恒压阶段，当电流逐渐下降到0时，充电器向电池施加等于最大电池电压乘以串联电池数量的电压，直到电流低于设定的阈值，约为初始恒电荷电流的3%
每500小时定期进行一次顶部充电。当电压下降时，建议以低于4.05 V/cell启动顶部充电 。
不遵守电流和电压限制可能导致爆炸。[96]
锂离子充电温度限制比操作限制更严格。锂离子化学在高温下表现良好，但长时间受热会缩短电池寿命。
锂离子电池在较低温度下具有良好的充电性能，甚至可以在5至45℃的温度范围内“快速充电” C (41至113°F)。[97][需要更好来源] 充电应在此温度范围内进行。在0到5℃的温度下充电是可能的，但是充电电流应该减少。在低温充电过程中，由于电池内部电阻的原因，温度略微高于环境温度是有益的。充电过程中的高温可能会导致电池退化，并在45℃以上的温度下充电会降低电池性能，而在较低的温度下，电池的内阻可能会增加，从而导致充电速度变慢，充电时间延长。[97][需要更好来源]
消费级锂离子电池不应在低于0℃（32°F）的温度下充电 。尽管电池组[98] 可能看起来是正常充电，在负电极的亚冷冻充电期间金属锂可能发生电镀，并且即使通过重复循环也可能不可移除。出于安全原因，大多数配有锂离子电池的设备不允许在0–45℃以外的温度充电 ，当手机被检测到正在进行的紧急呼叫时除外，这种情况下可能会允许某种程度的充电。[99]
因为锂离子电池可以有各种正极和负极材料，能量密度和电压也相应变化。
开路电压高于含水电池(如铅酸、镍金属氢化物和镍镉)。[103] 内阻随着骑自行车和年龄的增长而增加。[103][104] 内部电阻上升会导致负载下端子电压下降，从而降低最大电流消耗。最终，增加电阻会使电池处于这样一种状态，既在不出现不可接受的电压下降或过热的情况下，它将无法支持要求的正常放电电流。
带有磷酸铁锂正极和石墨负极的电池的标称开路电压为3.2 V，典型充电电压为3.6 V。锂镍锰钴(NMC)氧化物正极与石墨负极的比值为3.7 V标称电压，充电时最大电压为4.2 V 。使用限流电路在恒定电压下执行充电程序(即，用恒定电流充电，直到在电池中电压达到4.2 V，并继续施加恒定电压，直到电流降至接近零)。通常，电荷终止于初始充电电流的3%。过去，锂离子电池不能快速充电，需要至少两个小时才能完全充电。当代电池可以在45分钟或更短时间内充满电。2015年，研究人员展示了一个600毫安时容量的小电池在两分钟内充电至68%，一个3000毫安时容量的电池在五分钟内充电至48%。后一种电池的能量密度为620瓦时/升。该装置在阳极采用了与石墨分子结合的杂原子。[105]
制造电池的性能随着时间的推移而提高。例如，从1991年到2005年，锂离子电池的每价格能量容量提高了十倍以上，从每美元0.3瓦时提高到每美元3瓦时以上。[106] 在2011-2017年期间，平均每年取得7.5%的进展。[107]
对电池日益增长的需求已促使供应商和学术界关注提高锂离子电池技术的能量密度、工作温度、安全性、耐用性、充电时间、输出功率和成本。以下材料已用于市售电池。对其他材料的研究仍在继续。
阴极材料通常由两种通用材料构成： LiCoO2 和 LiMn2O4。钴基材料发展出一种允许二维锂离子扩散的伪四面体结构。[108] 钴基阴极由于其高理论比热容、高容量、低自放电、高放电电压和良好的循环性能而非常理想，钴基阴极的限制包括材料成本高和热稳定性低。[109] 锰基材料采用立方晶格体系，允许三维锂离子扩散。[108] 锰基阴极很有吸引力，因为锰更便宜，而且如果能克服其局限性，理论上可以用来制造更高效、更持久的电池。 锰基阴极的限制包括在循环过程中锰在电解质中的溶解趋势导致阴极的循环稳定性差。[109] 钴基阴极是最常见的，但是其他材料正在研究中，目的是降低成本和提高电池寿命。[110]
截至2017年, LiFePO4 由于其低成本、优异的安全性和高循环耐久性，是大规模生产锂离子电池如电动车辆应用的选择。例如，索尼Fortelion电池在经过8000次100%放电循环后，仍保留了74%的容量。[111] 这种电池需要一种碳导电剂来克服它的低导电性。[112]
电解质替代品也发挥了重要作用，例如锂聚合物电池。
负极材料传统上由石墨和其他碳材料制成，尽管越来越多地使用新的硅基材料（见纳米线电池）。使用这些材料是因为它们含量丰富并且具有导电性，并且能够以适度的体积膨胀(ca. 10%)。[126] 石墨是主导材料的原因是因为它的低电压和优异的性能。已经引入了各种材料作为负极材料，但是它们的电压高导致能量密度低。[127] 材料的低电压是关键要求；否则，就能量密度而言，多余的容量是无用的。
阳极研究
Kasavajjula等人在2007年发表了一篇系统的评论文章。[135]这篇文章综述了锂离子可充电电池硅基阳极的早期研究。特别是，李洪等人 [136] 在2000年，通过在硅纳米粒子和硅纳米线中通过电化学方式插入锂离子导致非晶态Li-Si合金的形成。同年，Bo Gao 和他的博士生导师 Otto Zhou 教授描述了阳极由硅纳米线组成的电化学电池的循环，且这种电池的可逆容量至少为900-1500毫安/克。[137]
为了提高锂阳极的稳定性，已经提出了几种安装保护层的方法。[138] 硅正开始被探索应用为阳极材料，因为它可以容纳更多的锂离子，能够存储高达10倍的电荷，然而锂和硅之间的合金化会导致材料出现显著的体积膨胀(约为400%)，[126] 这种体积膨胀会导致电池发生灾难性故障。[139] 虽然硅已经被用作阳极材料，但是 Li+会在这种硅材料上产生裂缝。这些裂纹导致硅表面暴露于电解质中，导致分解并在新的硅表面(皱折的石墨烯封装的硅纳米颗粒)上形成固体电解质膜（SEI）。在这种作用下，这个固体电解质膜将会变得越来越厚，进而耗尽电解液中的Li+，从而降低阳极的电池容量和循环稳定性。
研究者们已经尝试使用包括纳米线、纳米管、空心球、纳米粒子和纳米多孔的各种硅纳米结构作为电极材料，因为这类材料在()-插入/移除时不会导致明显裂纹。但硅材料上这种SEI现象是仍然存在的。所以对材料进行涂层修饰是合理的，但为了防止硅体积增长情况的出现，通过紧密的表面涂层方法用于硅材料改性是不可行的。2012年，西北大学的研究人员提出了一种利用褶皱的还原-氧化石墨烯（r-GO）包裹硅纳米颗粒的方法。这种方法可以保护硅纳米粒子免受电解质的影响，此外由于而不会由于石墨烯球中的褶皱和折痕的影响而限制硅纳米材料的膨胀。[140]
这些胶囊开始时是氧化石墨烯GO和硅颗粒的水分散体，然后通过管式炉雾化成雾状液滴。当它们通过液体蒸发时，GO薄片被毛细作用力拉成一个褶皱的球状结构，而后利用这种处理后的的GO材料包裹硅颗粒。在0.2至4 A/g的电流密度下这种电极材料的恒电流充电/放电性能为0.05 mA/cm2至1 mA/cm2，且在0.2 A/g下输送能量为1200 mAh/g。[140]
聚合物电解质类材料有望最大限度地减少锂枝晶的形成，且被认为既可以防止电池短路又可以使电池具有良好的性能。[138]
电解质中的离子会扩散，因为电解质浓度会发生微小的改变。而在此处只考虑离子的线性扩散。作为时间t和距离x的函数，浓度c的变化为
负号显示离子是从高浓度向低浓度转变。在这个方程中，D是锂离子的扩散系数，在 LiPF6 电解质中它的值为7.5 × 10−10 m2/s。电解质的孔隙率ε值为0.724。[141]
锂离子电池可为各种设备提供轻质、高能量密度的电源。为电动汽车等大型设备供电，在并联电路中连接多个小电池比连接单个大电池更有效[142]，效率更高。[143] 这些设备包括：
锂离子电池用于电信应用。二次非水锂电池为电信服务商的网络环境中的负载设备提供一种典型的、可靠的电源。符合特定技术标准的锂离子电池可部署在外部设备（OSP）中，如受控环境保险库（CEV），电子设备外壳（EEE）和小屋，以及不受控制的结构（如机柜）。 在这些应用中，锂离子电池用户需要知晓详细的电池特定危险材料信息以及适当的灭火程序，以满足相应的法规要求来保护员工和周围仪器设备。[149]
即使没有连接并输送电流，电池也会逐渐自放电，而锂离子可充电电池的自放电率通常由制造商规定为每月1.5-2％。[150][151]
该速率随着温度和充电状态而增加。2004年的一项研究发现，在大多数循环条件下，自放电主要取决于时间；然而，当电池经过几个月的开路或显示管，充电状态相关的损失变得很大。自放电率并不随着电荷状态单调增加，而是在开路处理或者浮动充电后，充电状态依赖性损耗变得非常重要。[152] 自放电率也会随着电池老化而增加。[153] 在1999年，每月自放电率为在 21 °C 时为8%，在 40 °C 时为15%，而在60 °C 时为31%。[154] 到2007年，电池每月自放电率估计为2%至3%，[155] 和2016年的2[156]-3%。[157]
相比之下，截至2017年，金属氢化物电池的自放电率从以前普通电池的每月高达30%下降 对于低自放电镍氢电池，每月约为0.08% - 0.33%[158]，而镍镉电池其自放电率大约是每月10%。[来源请求]
锂离子电池的寿命通常被定义为达到容量损失或阻抗上升的故障阈值时的充放电循环次数。制造商的数据表通常使用“循环寿命”一词，其是根据达到额定电池容量80%时的循环次数来作为电池寿命。[159]。这些电池在储存时没有活动也会降低它们的容量。因此将日历寿命用于表示电池的整个寿命周期，包括循环使用和非活动存储操作的总时间。
电池循环寿命受到许多不同应力因素的影响，包括温度、放电电流、充电电流和充电状态范围(放电深度)。[160][161] 在智能手机、笔记本电脑和电动汽车等实际应用中，电池往往没有完全充电和放电，因此通过完全放电周期来定义电池寿命可能会产生歧义。为了避免这种混淆，研究人员有时使用累积放电来进行计算，[160] 其定义为电池在其整个寿命或等效的完整周期内输送的总电量(Ah)，[162] 将表示部分循环的总和作为完整充放电循环的一部分。蓄电池在储存过程中的退化受温度和蓄电池充电状态的影响，而全充电(100%充电)和高温(通常> 50℃)的结合会导致容量急剧下降和电池内气体产生。[163]
将电池累积放电(单位:Ah)乘以额定标称电压，就得到了电池在整个使用寿命中所提供的总能量。由此可以计算每千瓦时的能源成本(包括充电成本)。
2015年，来自卡尔斯鲁厄理工学院的安德烈亚斯·古奇(Andreas Gutsch)的一项研究发现，锂离子电池的寿命在实际上可能相差五倍，有些锂离子电池在1000次循环后会损失掉30%的容量，而另一些在5000次循环后会有更好的容量。研究还发现，一些电池的安全标准没有得到要求。对于固定能量存储，估计至少需要使用寿命为3000次的电池才能实现盈利。 [来源请求]
随着电池寿命的延长，电极的化学性能和机械性能的逐渐变化，由此电池的容量往往会逐渐降低。[164]电池是一种多物理的电化学系统，通过多种化学、机械、电气和热失效机制进行降解。其中较为突出的机理包括固态电解质间相层(SEI)的生长、锂的电镀、SEI层和电极颗粒的机械裂解以及电解质的热分解。[164]。
电池的降解还强烈依赖于温度，25℃左右时其降解速率最小 ，即如果储存或使用在25°以上或以下其降解速率将会增加。[165] 高充电水平和高温（无论是充电还是环境空气）都会加速电池的容量损失。[166] 碳阳极在使用时会发热，因此电池可以通过冷藏来降低温度效应。[167]
袋状和圆柱形电池的温度与放电电流呈线性关系。[168] 二者内部通风不良也可能会增加温度。损失率因温度而异:在0°C(32°F)损失为6%，25°C(77°F)损失为20%，40°C(104°F)损失为35%。相比之下，LiFePO4电池的日历寿命不受高电荷状态的影响。[169][170]
SEI层的出现改善了电池的性能，但增加了热降解的脆弱性。该层由电解质-碳酸盐还原产物组成，该产物既是离子导体又是电子绝缘体。它形成在阳极和阴极上，并决定着电池的许多性能参数。在较典型条件下，例如室温和没有电荷效应和污染物，该层在第一次充电后达到固定厚度，可保证设备运行多年。然而，在这些参数之外的操作会通过几个反应使设备降级。[171]
锂离子电池在数千次循环中容易出现容量衰减。它通过缓慢的电化学过程，在负电极中形成固体电解质间相。在第一次充电和放电之间形成SEI，导致锂离子的消耗。锂离子的消耗降低了电极材料的充电和放电效率。[172] 然而，SEI膜不溶于有机溶剂，因此在有机电解质溶液中是稳定的。如果向电解质中添加适当的添加剂以促进SEI的形成，可以有效地防止溶剂分子的共包埋，并且可以避免对电极材料的损害。另一方面，SEI是选择性的，允许锂离子通过，禁止电子通过。这保证了充放电循环的连续性。[173] SEI还阻碍了锂离子的进一步消耗，因此极大地改善了电极的循环性能和使用寿命。
反应
可能发生的五种常见放热降解反应：[171]
阳极
阳极上形成的SEI层是氧化锂、氟化锂和半碳酸盐（例如烷基碳酸锂）的混合物。
在高温下，电解质中的碳酸烷基酯分解成不溶物 而导致薄膜厚度增加，限制电池的阳极效率。这增加了电池阻抗并降低了电池容量。[165] 电解质分解形成的气体会增加电池的内部压力，在移动设备等要求苛刻的环境中是一个潜在的安全问题。[171]
25℃以下时，在阳极上镀金属锂以及随后与电解质的反应会导致可循环锂的损失。[165]
延长存储时间会导致薄膜厚度和容量损失的增加。[171]
当充电电压大于4.2 V时，可以在阳极上直接导致锂离子电镀，造成不可逆容量损失。嵌入阳极的金属锂在嵌入过程中的随机性导致枝晶的形成。随着时间的推移，枝晶会积聚并刺穿分离器，导致短路，从而导致发热、着火或爆炸。这个过程被称为热失控。[171]
放电超过2 V也会导致容量损失。（铜）阳极集流体可以溶解在电解质中。充电时，铜离子会在阳极上还原为金属铜。随着时间的推移，铜枝晶会像锂一样形成并导致短路。[171]
高循环速率和电荷状态在阳极石墨晶格上产生机械应变。插层和脱插层引起的机械应变会造成石墨颗粒的裂缝和分裂，改变它们的方向。这种方向的改变会导致容量损失。[171]
电解质
电解质降解机制包括水解和热分解。[171]
当浓度低至10 ppm时，水开始催化一系列降解产物，这些降解产物会影响电解液、阳极和阴极。[171] LiPF6 与LiF和 PF5发生平衡反应。在典型的情况下，平衡位于最左侧。然而，水的存在会产生大量不溶的电绝缘产品LiF。LiF与阳极表面结合，增加薄膜厚度。[171]
LiPF6 水解产生 PF5，一种强路易斯酸，可与富含电子的物质如水反应。 PF5 与水反应生成氢氟酸和氟化磷。氟化磷反过来反应形成额外的氟化氢和二氟羟基磷酸。高频将坚硬的SEI薄膜转换成易碎的薄膜。在阴极上，碳酸盐溶剂可以随时间扩散到阴极氧化物上，释放热量和热失控。[171]
温度达到70℃时，电解质盐的分解以及盐和溶剂之间的相互作用便可以开始。在较高的温度下会发生显著的分解。在85℃生成酯交换产物，如2，5-二氧杂环己烷羧酸二甲酯是由EC与DMC反应形成的。[171]
阴极
阴极降解机制包括锰溶解、电解质氧化和结构紊乱。[171]
在 LiMnO4 氢氟酸通过三价锰的歧化作用导致金属锰的损失:[171]
尖晶石的材料损失导致容量衰减。温度低至50℃时，Mn2+作为金属锰沉积在阳极上，其效果与镀锂和镀铜相同。[165] 当Mn4+在放电过程中被还原为Mn3+时，在理论上的最大和最小电压平台上的循环会通过Jahn-Teller畸变破坏晶格。[171]
储存充电至大于3.6 V的电池会引发阴极对电解液的氧化，并在阴极上诱导SEI层的形成。与阳极一样，过多的SEI形成形成绝缘体，导致容量衰减和不均匀的电流分布。[171]
低于2 V的存储会导致 LiCoO2 和 LiMn2O4 阴极、氧气释放和不可逆容量损失。[171]
对镍镉电池和镍氢电池进行“保养”的需求，已经在围绕锂离子电池界中被传说会有所泄露，但这是毫无根据的。对旧技术的定义是即使设备充满电保持时，也只能保持七八个小时的通电状态。[174] 这可能混淆了电池软件校准说明与NiCd和镍氢电池的“调节”说明。[175]
锂离子电池需要一个电池管理系统，以防止在每个电池的安全操作区域(最大充电，最小充电，安全温度范围)以外的操作，并平衡电池以消除充电不匹配的状态。这显著提高了电池效率并增加了容量。随着电池数量和负载电流的增加，失配的可能性也会增加。这两种不匹配是荷电状态(SOC)和容量/能量(“C/E”)。虽然SOC更常见，但每个问题都将电池组的充电容量限制在最弱的电池。
锂离子电池可能是一种安全隐患，因为它们含有易燃电解质，如果损坏可能会加压。电池充电过快可能导致短路，导致爆炸和火灾。[176] 由于这些风险，测试标准比酸性电解质电池更严格，需要更广泛的测试条件和额外的电池特定测试，并且安全监管机构对运输有限制。[177][177][178] 一些公司召回了电池，包括2016年因电池起火而召回的三星盖乐世诺特7电池。[178][178]
如果锂离子电池损坏或压碎，或者如果没有过充电保护的电池承受比其安全处理能力更高的电负载，则会出现另一个问题。此外，外部短路会触发电池爆炸。[179]
如果过热或过度充电，锂离子电池可能会发生热失控和电池破裂。[180][181] 在极端情况下，这可能导致泄漏、爆炸或火灾。为了降低这些风险，许多锂离子电池(和电池组)包含故障安全电路，当电池电压超出3–4.2的安全范围时，该电路会断开电池 每节电池电压。[182][182] 或者当过度充电或放电时。没有有效电池管理电路的锂电池组，无论是由供应商还是最终用户制造，都容易受到这些问题的影响。 设计或实施不当的电池管理电路也可能导致问题； 很难确定任何特定的电池管理电路是否被正确实现。 锂离子电池在允许的电压范围(通常为2.5至3.65/4.1/4.2或4.35伏)之外容易损坏(取决于电池的化学性质和设计)。超过该电压范围会导致电池过早老化，此外，由于电池中的活性成分，还会导致安全风险。[182] 当长时间储存时，保护电路的小电流消耗可能会使电池消耗到其关闭电压以下；因为BMS可能会保留该电池(或充电器)“故障”的记录，所以普通充电器可能是无用的。许多类型的锂离子电池不能在0以下安全充电。 [183]
每个电池还需要其他安全特性：[182]
这些特征是必需的，因为负极在使用过程中产生热量，而正极可能产生氧气。然而，这些额外的设备占据了电池内部的空间，增加了故障点，并且在被激活时可能不可逆地使电池失效。此外，与只需要氢/氧复合装置和备用压力阀的镍金属氢化物电池相比，这些特征增加了成本。[182] 细胞内的污染物会破坏这些安全装置。此外，这些特征不能应用于所有类型的电池，例如棱柱形高电流电池不能配备通风口或热中断。高电流电池不能产生过多的热量或氧气，以免出现可能很剧烈的故障。相反，它们必须配备内部热熔断器，在阳极和阴极达到它们的热极限之前起作用。
电池短路会导致电池过热并可能着火。相邻电池可能会过热并失效，可能导致整个电池点燃或破裂。一旦发生火灾，该装置可能会释放出刺激性浓烟。[184] 氧化钴电池的燃烧能量（电+化学）约为100-150千焦/(安培·小时)，其中大部分是化学物质。[185][185]
用锂金属磷酸盐如磷酸铁锂(LFP)代替锂离子电池中的钴酸锂正极材料，可以提高循环次数、保存期和安全性，但会降低容量。截至2006年，这些“更安全”的锂离子电池主要用于电动汽车和其他安全至关重要的大容量电池应用。[186]
锂离子电池不同于含有水基电解质的可充电电池，具有潜在危险的加压易燃液体电解质，并且在制造过程中需要严格的质量控制。[187] 有故障的电池会引起严重的火灾。[176] 有故障的充电器会影响电池的安全性，因为它们会破坏电池的保护电路。当在低于0的温度下充电时 电池的负极镀上纯锂，这会危及整个电池组的安全。
虽然火灾通常很严重，但也可能是灾难性的。大约在2010年，大型锂离子电池取代其他化学物质被引入一些飞机上的动力系统； 截至2014年1月 波音787客机在2011年至少发生过四次严重的锂离子电池火灾或冒烟事件，这些事件没有造成坠机，但有可能造成坠机。[188][189]
此外，几起飞机失事被认为是由于燃烧锂离子电池造成的。在迪拜坠毁，其有效载荷的电池自燃，逐渐摧毁飞机内部的关键系统，最终使其无法控制。
由于锂离子电池比其他可能含铅或镉的电池含有更少的有毒金属，[182] 它们通常被归类为无害废物。包括铁、铜、镍和钴在内的锂离子电池元素被认为对焚化炉和垃圾填埋场是安全的。这些金属可以回收利用，[190][191] 但是采矿总的来说仍然比回收便宜。[192] 目前，由于成本高、复杂、产量低，对锂离子电池的回收投入不多。建造电池最昂贵的金属是钴，大部分在刚果开采。磷酸铁锂更便宜，但也有其他缺点。锂比其他使用的金属便宜，但是回收可以防止未来的短缺。[190] 镍和钴的制造过程以及溶剂存在潜在的环境和健康危害。[193][194] 制造一公斤锂离子电池需要相当于1.6的能量 公斤油。[195][196]
由于水污染，锂的提取会影响环境。它发生在北美和南美、亚洲、南非、安第斯山脉中部以及中国的特定矿山 [197]
国际航空运输协会估计每年有超过10亿个锂电池在飞行。[185]
每节电池（无论是安装在设备中还是作为备用电池）可携带的最大尺寸是每节电池的当量锂含量(ELC)不超过8克。 此外，如果只携带一个或两个电池，每个电池的ELC可达25 g。[204] 通过将每个电池的安培小时容量乘以0.3，然后将结果乘以电池中的电池数量，可以得到任何电池的ELC。[204] 计算得到的锂含量不是实际锂含量，而是仅用于运输目的的理论数字。然而，当运输锂离子电池时，如果电池中的总锂含量超过1.5 g，包装必须标记为“9类杂项危险材料”。
虽然装有锂离子电池的设备可以在托运行李中运输，但备用电池只能在随身行李中运输。[204] 它们必须被保护以防止短路，运输法规中提供了关于安全包装和运输的示例提示；例如，这样的电池应该在其原始的保护包装中，或者“通过在暴露的端子上缠绕或者将每个电池放置在单独的塑料袋或保护袋中”。[204][205] 这些限制不适用于作为轮椅或助行器一部分的锂离子电池(包括任何备用电池)，一套单独的规则和条例适用于该电池。[204]
一些邮政管理部门限制锂和锂离子电池的空运（包括特快专递），无论是单独运输还是安装在设备上。这些限制适用于香港，[206] 澳大利亚和日本。[207] 其他邮政管理机构，如联合王国皇家邮政，可能允许有限运输电池，这些电池可以使用，但完全禁止处理已知的有缺陷的电池，这可能对发现通过邮购渠道购买的有缺陷的此类物品的人具有重要意义。[208] 国际航空运输协会在其 Lithium Battery Guidance 文件上提供了详细信息。
波音787使用的大尺寸钴酸锂[214] 电池比新型电池更易反应，例如 LiFePO4。[215][177]
由于禁令，几家智能行李公司被迫关闭。[218]
研究人员正在积极努力提高这些电池的功率密度、安全性、循环耐久性（电池寿命）、充电时间、成本、灵活性和其他特性，以及研究方法和用途。