鋰離子充電電池地位穩定，仍需改革前進

自1992年索尼公司實現鋰離子電池的產業化以來，憑借其高比能量、長使用壽命、無記憶效應、安全、可靠且能快速充放電等優勢，鋰離子電池已成為近年來新型電源技術的發展熱點。鋰離子電池是綠色環保型無污染充電電池，符合當今各國的能源環保需求，在各行各業的應用迅速增加。目前，鋰離子電池已廣泛應用于手機、筆記本電腦、數碼相機以及MP3等電子產品中，大量取代了鎳鎘電池和鎳氫電池，在這類應用中獨占九成之多。此外，鋰離子電池近年在電動汽車等一些大功率電池方面也開始進入實用化。
　　2000年以前，日本在鋰離子電池方面獨霸世界，產量約占全球95% 以上。近年來，隨著中國(包括***地區)和韓國的迅速崛起，日本一支獨秀的格局已被逐漸打破。目前日本鋰離子電池的市場份額已跌到60%以下，大體形成三分天下的格局。2008年雖遭遇全球性的金融風暴，但充電電池無論出貨量、銷售額均比上年還有所增長，不過今年仍將是嚴峻的一年。未來，各種電動車輛的迅速發展勢將成為鋰離子電池前進的重要驅動力量。
鋰離子電池地位不可動搖
　　1989年，小容量的紐扣型鋰電池實現了實用化。但在1989年夏連續發生了多起采用鋰電池的手機因過熱而起火的事故后，1990年初，業界對于采用鋰材料的圓筒形充電電池的實用化前景持消極態度。然而，索尼旗下專門制造電池的索尼能源技術(Sony Energy Tech)公司勇敢打破僵局，于當年2月宣布鋰離子充電電池達到了實用水平。
　　鋰電池引起事故的原因是其將金屬鋰用作負極材料，在反復充放電后，負極會形成樹枝狀晶體，使正負極間發生短路，從而引發冒煙起火等狀況。而鋰離子充電電池則在正負兩極都不采用金屬鋰，其正極采用LiCoO2(鈷酸鋰)合金材料，負極采用焦炭類碳材料。這確保了電池的安全性，從而實現了圓筒型鋰電池。
　　但是，實用化之初的鋰離子電池的性能并沒有明顯優于當時的主要競爭產品——鎳氫充電電池(見表1)。例如，1993年初的鋰離子充電電池單位體積的能量密度為220Wh/L(此為直徑18mm×長65mm的圓筒型電池的數值，下同)，僅比鎳氫電池的180Wh/L 高約20%。而且，鋰離子充電電池還有很多缺點，如“與干電池之間沒有電壓兼容性”、“充電控制困難”、“內阻高，無法以大電流充放電”、“難于并聯，很難實現大容量電池組”等。

但是，手機和攝像機等廠商對鋰離子充電電池重量較輕的特點情有獨鐘。按單位重量的能量密度而論，鋰離子電池比鎳氫充電電池約高一倍，可達115Wh/kg。也就是說，在相同的能量容量下，鋰離子電池組的重量可減輕約一半。因此，在便攜設備廠商的特別青睞下，1991年后采用鋰離子充電電池的產品相繼上市，并十分走俏。此后，松下電池工業公司于1992年，日本電池公司于1993 年，三洋電機、日立以及加拿大Moli Energy(1990)于1994年相繼投產，確立了鋰離子充電電池在便攜電子設備市場上不可動搖的地位。
提高安全性避免事故再次發生
　　1990年以后，鋰離子充電電池基本上一直沿著高密度和確保安全性這兩條主線而發展。為了推進產品的小型輕量化，便攜電子設備廠商強烈要求提高電池的能量密度。但是，密度越高，起火冒煙的危險性也就越高。事故絕對不可以再次發生！1989年夏的起火事故在電池技術人員的心里揮之不去：如果再發生事故，采用鋰材料的充電電池將前途盡毀。
　　為此，在鋰離子充電電池實用化之初，電池廠商便對其實施了被稱為“過保護”的嚴格安全對策。為了在電池因誤操作而陷入過放電/過充電的狀態時也能確保安全，廠商為電池配置了三種安全結構：PTC(正溫度系數)熱敏電阻、安全閥、隔膜。圖1給出一種安全電路示例，當檢測到異常的溫度上升時，能夠以電氣方式切斷電池單元的負載，避免發生危險。

　　此外，開發手機、攝像機、筆記本電腦的設備廠商也為確保電池安全性發揮了重要作用。當時，所有設備廠商都設立了負責驗收的測試方案，如釘刺試驗，高溫/低溫工作試驗，以及在平底鍋內進行的加熱試驗等。設備廠商會在一系列試驗結果的基礎上向電池廠商提出現存問題，在如何改進電池單元的結構和設計安全電路等方面提出了不少意見。在這樣艱苦努力的緊密合作下，到20世紀初期的這段時間內，鋰離子充電電池再沒有發生大的事故，市場發展非常順利。
改進材料提高性能

加強了安全保護后，鋰離子充電電池的能量密度不斷提高。1990年實用化之初，鋰離子電池單位體積的能量密度不過190Wh/L；到了19年后的2009年，這一數值提高了約4倍，達到740Wh/L(見圖2)。但同期，微處理器的時鐘頻率提高了100多倍，DRAM的容量更是增大了250倍。因此，充電電池還屢屢被指為進步太慢。

　　能量密度的提高基本上依靠的是正負極材料的改進、電池結構的調整以及制造工序的改良等小改小革而完成的。19年中出現過3次材料的大變革，一次次加快了能量密度的提高速度。第1次發生在1994年~1995年間，負極材料從焦炭類碳材料變為石墨類碳材料，這一變革使能量密度提高了約20%。在隨后的8~9 年，一直維持了正極采用LiCoO2、負極采用石墨類碳材料的組合。第2次變革發生在2002 年~2003年間，正極材料由LiCoO2變為LiCoO2 和Li(Ni-Co-Mn)O2的混合材料，能量密度提高了約10%。

　　目前正處于第3次變革期。這次又是負極材料的改革，候選材料包括硅類合金、錫類合金和金屬鋰三類(見圖3)。其中錫類合金已進入實用化。索尼公司從2005年春以后推出的攝像機電池組中已開始采用此類材料。14mm(直徑)×43mm(長)的電池單元的單元體積能量密度可達到478Wh/L，比采用傳統材料的電池增加約20%。

　　2007年1月，松下電器產業和松下電池工業通過采用某種合金材料作為負極材料，成功實現了高達740Wh/L的單位體積能量密度。公司沒有透露此合金材料的具體情況，直到今年3月尚未量產，但預計近期或將付諸實用。此外，將硅類合金和金屬鋰用作負極從而大幅提高能量密度的電池產品也正在試制過程中。
繼續前進
　　2006年以后，筆記本電腦和手機等產品中所采用的鋰離子充電電池再次發生異常發熱事故，潛伏起火危險。索尼、松下電池工業、三洋電機等電池廠商都曾大量回收電池組。原因有說是在制造過程中混入了金屬粉末，有說是設備廠商在充放電管理方面處理不當。而設備廠商則直面反駁，發生相互推諉之事。
　　其實，真正的原因尚未查明。為今之計，應徹底探明原因，認清“事故再起，前途盡毀”的嚴重性，學習雙方前輩技術人員為確保安全而不惜代價的費時盡力開發的精神，攜手合作，