半年内两篇《自然》！复旦彭慧胜团队织出能穿的高性能锂电池
澎湃新闻首席记者 贺梨萍
间隔不到半年时间，复旦大学高分子科学系彭慧胜教授团队在顶级学术期刊《自然》（Nature）再次发表重磅研究。这次，研究团队连续构建出了兼具高安全性和高性能的新型纤维聚合物锂离子电池。
9月1日23时，上述研究成果在线发表，题为《高性能纤维锂离子电池的规模化构建》（“Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries”）。复旦大学高分子科学系博士生何纪卿和路晨昊为该论文的共同第一作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、上海市科委等项目支持。
“最近十多年来，人们希望织物不再是简单的有某些单一功能，它还是智能的。”今年3月，彭慧胜在向澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者介绍他研究多年的智能织物时如是谈到。当时，其率领的团队在《自然》上发表了另一项重磅研究，他们用一块1.5平方米的“布”向外界展示，他们可以将显示器件的制备与织物编织过程实现融合，在高分子复合纤维交织点集成多功能微型发光器件，实现了大面积柔性显示织物和智能集成系统。
这样的智能织物可实现器件功能、纺织方法、织物形态的有机融合，兼具智能、柔软、适应复杂形变、透气导湿等优点，是未来可穿戴等领域的重要发展方向。然而，要想获得广泛应用，前提之一还包括获得一种高性能且安全的柔性电池。
直径为数十微米至数百微米的纤维锂离子电池是目前的主流方向之一。彭慧胜就此次这项最新成果对澎湃新闻记者表示，“早在2006年，我开始听说有人把锂离子电池做成薄膜以获得柔性能源系统，这个方向对于未来人类社会发展很重要，我很感兴趣。”
然而，彭慧胜是一个愿意啃“硬骨头”的人，他并不太想做别人已经做过的。“当时就一直围绕这个领域琢磨，自己是否可能做个从来没人干过甚至都没想过的东西。”2008年回到复旦后，以前朦胧的追求突然具体了。彭慧胜想到：如果把锂离子电池做成纤维，一定很好玩。十几年前的彭慧胜甚至完全没考虑实用性。
从2008年开始，到2013年实现世界上第一个纤维锂离子电池，后来进一步拓展到纤维锂硫电池、纤维锌离子电池、纤维金属空气电池等等。然而，经历几代博士生和博士后进行工程化研究，进展并不大。
何纪卿在接受澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者采访时提到，纤维锂离子电池的制备主要面临两个难点。“第一，此前人们有理论上的认知局限，过去通常认为纤维锂离子电池越长其内阻就越大，会影响它电化学性能的发挥，也就很难实现较长的纤维锂离子电池；第二，纤维锂离子电池本身是很新的领域，面向块状锂离子电池的成熟生产体系很难适用于它，国际上纤维锂电池的连续化制备研究几乎是空白。”
迄今为止，公开报道的纤维锂离子电池长度往往只有几厘米，基于整体电池质量的能量密度也比较低（如<1Wh/kg）。研究团队在论文中提到，这种短纤维锂离子电池在现实中并不可用，连接它们的器件会损害纤维的能量密度和稳定性，例如，水或氧侵入、电解质泄漏、机械故障都可能发生在这些连接处。
研究团队在论文中写道，大规模生产长纤维锂离子电池、同时保持高性能，仍然是一个未满足的需求。
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纤维锂离子电池织物为智能手机进行无线充电。研究团队提供(00:21)
彭慧胜团队在研究纤维锂离子电池连续化制备的过程中意外发现，纤维锂离子电池内阻随长度增加而降低，进一步探究发现纤维锂离子电池的内阻与长度呈双曲余切函数关系，即随着长度的增加内阻先降低后逐步趋于稳定。使用导电率较高的纤维集流体，有利于降低纤维锂离子电池的内阻。上述关系规律得到了系统的实验验证，为纤维锂离子电池的连续构建奠定了理论基础。
进一步，彭慧胜团队发展出了高效负载纤维锂离子电池活性材料的连续化方法，有效解决了聚合物复合活性层与导电纤维集流体的界面稳定性难题，并通过自主设计和建立面向纤维锂离子电池连续构建的标准化装置，实现了活性材料在千米级光滑纤维表面的高效负载和精准调控，获得到了高负载量、涂覆均匀和容量高度匹配的正、负极纤维材料。进一步将正极纤维和包覆隔膜的负极纤维进行缠绕组装，并进行有效的封装，最终实现了高性能纤维锂离子电池的连续化制备。
长纤维锂离子电池的连续化制备和结构表征。
这项研究最后的结果显示，纤维锂离子电池的容量随长度线性增加。长度为1米时，纤维锂离子电池容量为25 mAh。足以为心率监测仪和血氧仪等商用可穿戴设备提供超过2天的使用电能。基于整体质量的能量密度超过85 Wh/kg。
同时，纤维锂离子电池具有良好的循环稳定性，循环500圈后，电池的容量保持率仍然达到90.5%，库伦效率为99.8%。即使在曲率半径为1厘米的情况下，将纤维锂离子电池弯折10万次后，其容量保持率仍大于80%。
研究团队进一步通过纺织方法，获得了高性能和高安全性的大面积电池织物，并以此在真是的引用场景中进行了部分功能示范。
a-e) 通过纺织方法获得高性能和高安全性的纤维锂离子电池织物；f-h) 纤维锂离子电池织物为智能手机进行无线充电。
他们在一件衣服上将电池织物和无线充电发射装置集成，可安全、稳定地对放置在佩戴者口袋中的智能手机进行无线充电。充电前，纤维锂离子电池电压为4.4V；当手机放在无线充电器上时，充电就开始了；充电完成后，电压降至3 V。整个过程持续40分钟。
在整个充电期间，红外热图像显示电池织物的温度变化小于5°C。研究团队提到，这一电池织物在温度高达40°C的情况下仍然可以继续良好和安全地工作，因此可安全穿戴。
此外，研究团队通过将纤维锂离子电池和纤维传感器与显示织物集成。当用户运动时，纤维传感器可检测汗水中钠离子和钙离子的浓度，并将数据发送到信号处理芯片，该芯片可以将信息传输到纺织品显示器。信号在10分钟内被采集并显示，用户可以通过纺织品显示器实时观察和监控自己的健康状况。
彭慧胜对澎湃新闻记者表示，目前科学界致力于获得更高能量密度和高安全性，也在发展连续化制备方法。而工业界则致力于如何把各种纤维电池用起来，包括开发低成本和高效率生产线、建立行业标准、发展集成应用方法等等。
“从目前纤维锂离子电池的性能和工程化水平判断，有望在3-5年实现规模化生产与应用。如果资源比较集中和高效利用，也有可能2-3年就能实现。”彭慧胜强调，要实现纤维锂离子电池投产，仍亟需解决几方面问题。研究团队期待，锂离子电池领域产业界的合作者能够加入进来，在较短时间内有效解决新型电池体系在生产和实际应用中面临的各种问题。
责任编辑：李跃群
不同类型锂电池性能不同在哪里，汇总常见六种锂电池特性及参数
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我们常常会说到三元锂电池或者铁锂电池，这些都是按照正极活性材料来给锂电池命名的。本文汇总六种常见锂电池类型以及它们的主要性能参数。大家都知道，相同技术路线的电芯，其具体参数并不完全相同，本文所显示的是当前参数的一般水平。六种锂电池具体包括：钴酸锂（LiCoO2），锰酸锂（LiMn2O4），镍钴锰酸锂（LiNiMnCoO2或NMC），镍钴铝酸锂（LiNiCoAlO2或称NCA），磷酸铁锂（LiFePO4），钛酸锂（Li4Ti5O12）。
钴酸锂（LiCoO 2）
其高比能量使钴酸锂成为手机，笔记本电脑和数码相机的热门选择。电池由氧化钴阴极和石墨碳阳极组成。阴极具有分层结构，在放电期间，锂离子从阳极移动到阴极，充电过程则流动方向相反。 结构形式如图1所示。
图1： 钴酸锂结构
阴极具有分层结构。在放电期间，锂离子从阳极移动到阴极; 充电时流量从阴极流向阳极。
钴酸锂的缺点是寿命相对较短，热稳定性低和负载能力有限（比功率）。像其他钴混合锂离子电池一样，钴酸锂采用石墨阳极，其循环寿命主要受到固体电解质界面（SEI）的限制，主要表现在SEI膜的逐渐增厚，和快速充电或者低温充电过程的阳极镀锂问题。较新的材料体系增加了镍，锰和/或铝以提高寿命，负载能力和降低成本。
钴酸锂不应以高于容量的电流进行充电和放电。这意味着具有2,400mAh的18650电池只能以小于等于2,400mA充电和放电。强制快速充电或施加高于2400mA的负载会导致过热和超负荷的应力。为获得最佳快速充电，制造商建议充电倍率为0.8C或约2,000mA。电池保护电路将能量单元的充电和放电速率限制在约1C的安全水平。
六角蜘蛛图（图2）总结了与运行相关的具体能量或容量方面的钴酸锂性能；具体功率或提供大电流的能力； 安全； 在高低温环境下的性能表现； 寿命包括日历寿命和循环寿命； 成本特性。蜘蛛图中没有显示的其他重要特征还包括毒性，快速充电能力，自放电和保质期。
由于钴的高成本以及通过与其他活性阴极材料混合材料带来的明显性能改善，钴酸锂正在逐步被锰酸锂替代，尤其是NMC和NCA。（请参阅下面对NMC和NCA的描述。）
图2： 平均钴酸锂电池的蜘蛛图。
钴酸锂在高比能量方面表现出色，但在功率特性、安全性和循环寿命方面只能提供一般的性能表现
汇总表
钴酸锂氧化物： LiCoO 2阴极（约60％Co），石墨阳极 短型：LCO或Li-钴。始于1991年以来
电压
标称值为3.60V; 典型工作范围3.0-4.2V /电池
比能（容量）
150-200Wh /公斤。特种电池提供高达240Wh / kg。
充电（C率）
0.7-1C，充电至4.20V（大部分电池）；典型充电时长 3小时；1C以上的充电电流会缩短电池寿命。
放电（C率）
1C；放电截止电压2.50V。1C以上的放电电流会缩短电池寿命。
循环寿命
500-1000，与放电深度，负荷，温度有关
热失控
150°C（302°F）。满充状态容易带来热失控
应用
手机，平板电脑，笔记本电脑，相机
注释
非常高的比能量，有限的比功率。钴很昂贵。被用作能量型电池。市场份额稳定。
表3：钴酸锂的特性
锰酸锂（LiMn2O4）
尖晶石锰酸锂电池首次发表于1983年的材料研究报告中。1996年，Moli能源公司将锰酸锂为阴极材料的锂离子电池商业化。该架构形成三维尖晶石结构，可改善电极上的离子流动，从而降低内部电阻并改善电流承载能力。尖晶石的另一个优点是热稳定性高，安全性提高，但循环和日历寿命有限。
低电池内阻可实现快速充电和大电流放电。18650型电芯，锰酸锂电池可以在20-30A的电流下放电，并具有适度的热量积累。也可以施加高达50A1秒负载脉冲。在此电流下持续的高负荷会导致热量积聚，电池温度不能超过80°C（176°F）。锰酸锂用于电动工具，医疗器械，以及混合动力和纯电动汽车。
图4说明在锰酸锂电池的阴极上形成三维晶体骨架。该尖晶石结构通常由连接成晶格的菱形形状组成，一般在电池化成后出现。
图4：锰酸锂结构。
锰酸锂阴极结晶形成具有在化成后成型的三维骨架结构。尖晶石提供低电阻，但比能量低于钴酸锂。
锰酸锂的容量大约比钴酸锂低三分之一。设计灵活性使工程师能够选择最大限度地延长电池的使用寿命，或者提高最大负载电流（比功率）或容量（比能）。例如，18650电池的长寿命版本只有1,100mAh的适中容量; 高容量版本则达到1,500mAh。
图5显示了典型锰酸锂电池的蜘蛛图。这些特性参数似乎不太理想，但新设计在功率，安全性和寿命方面有所改进。纯锰酸锂电池今天不再普遍; 它们只在特殊情况下应用。
图5：纯锰酸锂电池的蜘蛛图。尽管整体性能一般，但新型锰酸锂设计可以提高功率，安全性和寿命。
大多数锰酸锂与锂镍锰钴氧化物（NMC）混合，以提高比能量并延长寿命。这种组合带来了每个系统的最佳性能，而大多数电动汽车，如日产Leaf，雪佛兰Volt和宝马i3都选用了LMO（NMC）。电池的LMO部分可以达到30％左右，可以在加速时提供较高的电流; NMC部分提供了很长的续航里程。
锂离子电池研究倾向于将锰酸锂与钴，镍，锰和/或铝组合作为活性阴极材料。在一些架构中，少量硅被添加到阳极。这提供了25％的容量提升; 然而，硅随着充放电膨胀和收缩，从而引起机械应力，容量提升通常与短的循环寿命紧密联系。
可以方便地选择这三种活性金属以及硅增强来提高比能（容量），比功率（负载能力）或寿命。消费电池需要大容量，而工业应用需要电池系统，具有良好的负载能力，寿命长，并提供安全可靠的服务。
汇总表
锰酸锂氧化物： LiMn2O4阴极，石墨阳极 ； 简称：LMO或Li-Mn（尖晶石结构）始于1996年以来
电压
3.70V（3.80V）标称值; 典型工作范围3.0-4.2V /每只电池
比能（容量）
100-150Wh / kg的
充电（C率）
典型值为0.7-1C，最大值为3C，充电至4.20V（大部分电池）
放电（C率）
1C； 一些电池可以达到10C，30C脉冲（5s），2.50V截止
循环寿命
300-700（与放电深度，温度有关）
热失控
典型值为250°C（482°F）。高电荷促进热失控
应用
电动工具，医疗设备，电动动力传动系统
注释
功率大但容量少; 比钴酸锂更安全; 通常与NMC混合以提高性能。
表6：锰酸锂氧化物的特性
镍钴锰酸锂（LiNiMnCoO 2或NMC）
最成功的锂离子体系之一是镍锰钴（NMC）的阴极组合。与锰酸锂类似，这个体系可以定制用作能量电池或功率电池。例如，中等负载条件下的18650电池中的NMC具有约2,800mAh的容量并且可以提供4A至5A放电电流； 同一类型的NMC在针对特定功率进行优化时，容量仅为2,000mAh，但可提供20A的连续放电电流。硅基阳极将达到4000mAh以上，但负载能力降低，循环寿命缩短。添加到石墨中的硅具有缺陷，即阳极随着充电和放电而膨胀和收缩，使得电池机械应力大结构不稳定。
NMC的秘密在于镍和锰的结合。与此类似的是食盐，其中主要成分钠和氯化物本身是有毒的，但将它们混合起来作为调味盐和食品保存剂。镍以其高比能量而闻名，但稳定性差；锰尖晶石结构可以实现低内阻但比能量低。两种活性金属优势互补。
NMC是电动工具，电动自行车和其他电动动力系统的首选电池。阴极组合通常是三分之一镍，三分之一锰和三分之一钴，也被称为1-1-1。这提供了一种独特的混合物，由于钴含量降低，也降低了原材料成本。另一个成功的组合是NCM，其中含有5份镍，3份钴和2份锰（5-3-2）。也可以使用其他不同量的阴极材料组合。
由于钴的高成本，电池制造商从钴系转向镍阴极。镍基系统比钴基电池具有更高的能量密度，更低的成本和更长的循环寿命，但是它们的电压略低。
新型电解质和添加剂可以使单只电池充电至4.4V以上，从而提高电量。图7展示了NMC的特性。
图7：NMC的蜘蛛图。NMC具有良好的整体性能，并且在比能量方面表现出色。这种电池是电动车的首选，具有最低的自热率。
由于该体系经济性和综合性能表现均比较好，因此NMC混合锂离子电池越来越受到重视。镍，锰和钴三种活性材料可轻松混合，以适应需要频繁循环的汽车和能源存储系统（EES）的广泛应用。NMC家族的多样性正在增长。
汇总表
锂镍锰钴氧化物： LiNiMnCoO2阴极，石墨阳极简称：NMC（NCM，CMN，CNM，MNC，MCN类似于不同金属组合）始于2008年
电压
3.60V，标称3.70V; 电池典型工作范围3.0-4.2V或更高
比能（容量）
150-220Wh/kg
充电（C率）
0.7-1C，充电至4.20V，一些至4.30V; 3小时典型充电。1C以上的充电电流会缩短电池寿命。
放电（C率）
1C; 2C可能在某些电芯上可行；2.50V截止
循环寿命
1000-2000（与放电深度，温度有关）
热失控
典型的210°C（410°F）。高电荷促进热失控
应用
电动自行车，医疗设备，电动车，工业
注释
提供高容量和高功率。混合电芯。受到多种用途的欢迎，市场份额不断增加。
表8： 锂镍锰钴氧化物（NMC）的特性。
磷酸铁锂（LiFePO 4）
1996年，德克萨斯大学发现磷酸盐可作为再充电锂电池的阴极材料。磷酸锂具有良好的电化学性能和低电阻。这是通过纳米级磷酸盐阴极材料实现的。主要优点是高额定电流和长循环寿命；良好的热稳定性，增强了安全性和对滥用的容忍度。
如果长时间保持在高电压下，磷酸锂对全部充电条件的耐受性更强，并且比其他锂离子系统的应力更小。缺点是，较低的3.2V电池标称电压使得比能量低于钴掺杂锂离子电池。对于大多数电池来说，低温会降低性能，升高储存温度会缩短使用寿命，磷酸锂也不例外。磷酸锂具有比其他锂离子电池更高的自放电，这可能会引起老化进而带来均衡问题，虽然可以通过选用高质量的电池或使用先进的电池管理系统来弥补，但这两种方式都增加了电池组的成本。电池寿命对制造过程中的杂质非常敏感，不能承受水分的掺杂，由于水分杂质的存在有些电池最短寿命只有50个循环。图9总结了磷酸锂的属性。
常用磷酸锂代替铅酸起动蓄电池。四个串联电池产生12.80V，与六个2V铅酸电池串联的电压相似。车辆将铅酸充电至14.40V（2.40V/电池）并保持浮充状态。浮充的用意在于保持完全充电水平并防止铅酸电池硫酸化。
通过串联四个磷酸锂电池，每个电池的电压均为3.60V，这是正确的满充电电压。此时，应该断开充电，但驾驶时继续充电。磷酸锂容忍一些过度充电; 然而，由于大多数车辆在长途旅行中长时间保持电压在14.40V，可能会增加磷酸锂电池的机械应力。时间会告诉我们磷酸锂作为铅酸电池的替代品能够承受多长时间的过充电。低温也会降低锂离子的性能，可能会影响极端情况下的起动能力。
图9：典型磷酸锂电池的蜘蛛图。
磷酸锂具有良好的安全性和长寿命，比能量适中，自放电能力增强。
由Cadex提供
汇总表
磷酸铁锂： LiFePO4阴极，石墨阳极 简称：LFP或磷酸锂，始于1996年
电压
3.20，标称值3.30V; 典型工作范围2.5-3.65V
比能（容量）
90-120Wh/kg
充电（C率）
1C典型，充电至3.65V；典型的3小时充电时间
放电（C率）
1C，25C在一些电芯上可行; 40A脉冲（2s）; 2.50V截止（低于2V导致损坏）
循环寿命
1000-2000（与放电深度，温度有关）
热失控
270°C（518°F）即使充满电，电池也非常安全
应用
便携式和固定式，需要高负载电流和耐久性的应用场景
注释
非常平坦的电压放电曲线但容量低。最安全的锂离子之一。用于特殊市场。高自放电。
表10：磷酸铁锂的特性
镍钴铝酸锂（LiNiCoAlO2或称NCA）
镍钴铝酸锂电池或NCA自1999年以后被应用。它具有较高的比能量，相当好的比功率和长的使用寿命与NMC有相似之处。不太讨人喜欢的是安全性和成本。图11总结了六个关键特征。NCA是锂镍氧化物的进一步发展；加入铝赋予电池更好的化学稳定性。
图11：NCA的蜘蛛图。高能量和功率密度以及良好的使用寿命使NCA成为EV动力系统的候选者。高成本和边际安全性却有负面的影响。
汇总表
镍钴铝酸锂： LiNiCoAlO2阴极（〜9 ％Co），石墨阳极 简称：NCA或锂铝。始于1999年
电压
标称值为3.60V；典型工作范围3.0-4.2V
比能（容量）
200-260Wh/公斤; 预测可以达到300Wh/kg
充电（C率）
0.7C，充电至4.20V（大多数电池），典型的3小时充电，一些电池可以快速充电
放电（C率）
1C典型；截止3.00V；高放电速率会缩短电池寿命
循环寿命
500（与放电深度，温度有关）
热失控
典型值为150°C（302°F），高电荷会导致热失控
应用
医疗设备，工业，电动动力总成（特斯拉）
注释
与钴酸锂有相似之处。能量型电池。
表12：镍钴铝酸锂的特性
钛酸锂（Li4Ti5O12）
自二十世纪八十年代以来，钛酸锂阳极的电池已为人所知。钛酸锂代替典型锂离子电池阳极中的石墨，并且材料形成尖晶石结构。阴极可以是锰酸锂或NMC。钛酸锂的标称电池电压为2.40V，可以快速充电，并提供10C的高放电电流。据说循环次数高于常规锂离子电池的循环次数。钛酸锂是安全的，具有出色的低温放电特性，在-30°C（-22°F）时可获得80％的容量。
LTO（通常是Li4Ti5 O12）零应变，没有SEI膜形成和在快速充电和低温充电时无锂电镀现象，因而具有优于传统的钴掺混的Li-离子与石墨阳极的充放电性能。高温下的热稳定性也比其他锂离子体系好; 然而，电池价格昂贵。比能量低，只有65Wh/kg，与NiCd相当。钛酸锂充电至2.80V，放电结束时为1.80V。图13显示了钛酸锂电池的特性。典型用途是电动动力传动系统，UPS和太阳能路灯。
图13：钛酸锂蜘蛛图。钛酸锂在安全性，低温性能和寿命方面表现出色。正在努力提高比能量和降低成本。
汇总表
钛酸锂：可以是锰酸锂氧化物或NMC；Li4Ti 5O12（钛酸盐）阳极简称：LTO或Li-钛酸盐，2008年左右开始销售。
电压
2.40V标称值； 典型工作范围1.8-2.85V；
比能（容量）
50-80Wh/kg
充电（C率）
1C典型； 最大5C，充电至2.85V
放电（C率）
10C可能，30C 5s脉冲； LCO/LTO截止电压1.80V
循环寿命
3,000-7,000
热失控
一种最安全的锂离子电池
应用
UPS，电动动力总成（三菱i-MiEV，本田飞度EV），太阳能路灯
注释
寿命长，充电快，温度范围宽，比能量低，价格昂贵。最安全的锂离子电池。
表14：钛酸锂的特性
图15比较了基于铅，镍和锂体系的比能。虽然锂铝（NCA）通过比其他系统储存更多容量而成为明显的赢家，但它仅适用于特定场景的电源使用。就比功率和热稳定性而言，锰酸锂（LMO）和磷酸锂（LFP）优异。钛酸锂（LTO）的容量可能较低，但它的寿命超过了其他大多数电池，并且具有最佳的低温性能。
图15：铅，镍和锂基电池的典型比能量
NCA享有最高的比能量； 然而，锰酸锂和磷酸铁锂在比功率和热稳定性方面优越。钛酸锂具有最好的使用寿命。
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