2 工程科学学报，第44卷，第X期 of fact,the power performance of lithium-ion batteries is gaining increasing attention and has truly achieved considerable improvement in recent years KEY WORDS high-power lithium-ion batteries;cathode materials;anode materials;electrolytes;prelithiation;power density 锂离子电池是21世纪以来最为热门的储能器 动车辆协会功率密度测试方法（简称EVS法）， 件之一，其具有能量密度高、单体输出电压高、循 在0~100%荷电状态(SOC)下按不同倍率进行交 环性能优越、可快速充放电和使用寿命长等优点， 替充电10s和放电10s试验，获得测试电流与电 被广泛应用于消费电子产品、电动汽车和新能源 压曲线.通过拟合得出该SOC下对应截止电压下 电站的储能电源系统等 的最大放电电流，Pmax=Udis-cuto×Idmax,Udis-cutoff 锂离子电池主要由正极、负极、隔膜和电解液 为放电截止电压；(4)2s脉冲放电法间，测试方法 等构成.充电时锂离子从正极脱出、嵌入到负极 为将电池用1C电流充电至截止电压，然后用不同 碳材料中，放电过程与此相反，以实现能量的存储 电流放电2s,计算最大电流Idmax与2s终了时电 与释放.锂离子电池的充放电过程伴随着锂离子 压的乘积Pmax=U2s×Idmax,U2s为2s终了时的电 在正、负极之间不断的嵌入与脱嵌，因此锂离子电 压；（⑤）峰值功率法，充放电测试设备在放电时电 池又被形象地称为“摇椅电池”四常规的锂离子 流从0A增大至设定的电流值需要有一个约15ms 电池能量密度很高（可达300w-hkg),但由于受 的时间过程，此时的峰值功率密度为Pmax=U15ms× 电池内阻和极化的影响，电池在高功率密度条件 Imav,Ui5ms为l5ms终了时的电压 下电压下降很快，不能有效发挥其储能作用.随着 1 正极材料 对智能电网、轨道交通、弹射系统、航空系统以及 高定向能器件等领域的重视程度不断提高，高功 正极材料是锂离子电池中的“锂源”，通常既 率锂离子电池的重要性也得以显现.高功率锂离 要提供充放电时在正负极之间往返的锂离子，又 子电池通常是指具有较高的输入功率密度或输出 要提供锂离子电池首周充放电形成固体电解质相 功率密度的锂离子电池，可分为“快充”和“快放” 界面（简称$E)膜时于负极所消耗掉的锂离子.正 两种类型，本文主要介绍了“快放”型锂离子电池 极材料对电池功率的影响主要体现在工作电压 根据国家标准GB/T31486一2015《电动汽车用动 U及内阻R上，其中电压U由电极材料的热力学 力蓄电池电性能要求及试验方法》四，高功率蓄电 本征特性决定，而内阻R则与正极材料的结构、掺 池是指室温下最大允许持续输出电功率(W)和 杂改性、表面包覆及制备工艺等多种因素相关 1C倍率放电能量(Wh)的比值不低于10的蓄电 高功率锂离子电池正极往往会采用高电压材料并 池.该标准对于C的定义为：C,为1小时率额定 对其进行各种改性来提高电压以及降低内阻6刀 容量(Ah):I1为1小时率放电电流，其数值等于 最重要的高电压正极材料为高电压钴酸锂、镍锰 C1(A).即1C电流是指锂离子电池1h完成放电的 酸锂和高电压三元材料等. 电流.本文针对高功率锂离子电池用正极材料、 1.1高电压钴酸锂 负极材料、电解液等关键材料和制备工艺的研究 钴酸锂(LiCoO2)具有R3m层状结构，在电池正 进展进行综合评述，并作了简要总结与展望 极材料中具有最高的理论密度值和较高的体积能 此外，功率型储能器件的功率密度的测试也 量密度，也是最早实现大规模应用的锂离子电池 有多种方法：(1)平均功率法)，即单位时间内释放 正极材料.最初的钴酸锂的工作电压为4.25~4.3V 的能量，P=E,但是在高倍率下放电时间短、误 (相对于锂电极，下同)，比容量为130~150mAhg'; 差大，这种方法受限于测试设备的精度和采点频 2013年后，工作电压为4.35~4.4V、比容量为170~ 率；(2)美国FreedomCAR项目功率密度测试方法 175mAhg'的钴酸锂面市.目前，功率型钴酸锂 (简称HPPC法)，测试方法中将电池采用HPPC 的充电电压可达到4.5V.然而，追求高电压的钴 方法通过10s脉冲充放电试验计算出放电内阻 酸锂会带来一系列的技术问题，包括体相结构变化、 Ris,最大放电电流为Imax=(Uoc一Umnm/Ris,放电 O参与电荷转移过程、表面结构变化、界面副反应 功率能力Pmax=Umn×Idmax,其中Uoc为开路电 以及高电压配套技术五个方面.如图1所示，这些 压，Umin为最小电压，Pmax为最大功率；(3)日本电 方面的问题同样出现在其他高电压正极材料中⑧of fact, the power performance of lithium-ion batteries is gaining increasing attention and has truly achieved considerable improvement in recent years. KEY WORDS    high-power lithium-ion batteries；cathode materials；anode materials；electrolytes；prelithiation；power density 锂离子电池是 21 世纪以来最为热门的储能器 件之一，其具有能量密度高、单体输出电压高、循 环性能优越、可快速充放电和使用寿命长等优点， 被广泛应用于消费电子产品、电动汽车和新能源 电站的储能电源系统等. 锂离子电池主要由正极、负极、隔膜和电解液 等构成. 充电时锂离子从正极脱出、嵌入到负极 碳材料中，放电过程与此相反，以实现能量的存储 与释放. 锂离子电池的充放电过程伴随着锂离子 在正、负极之间不断的嵌入与脱嵌，因此锂离子电 池又被形象地称为“摇椅电池” [1] . 常规的锂离子 电池能量密度很高 (可达 300 W·h·kg–1)，但由于受 电池内阻和极化的影响，电池在高功率密度条件 下电压下降很快，不能有效发挥其储能作用. 随着 对智能电网、轨道交通、弹射系统、航空系统以及 高定向能器件等领域的重视程度不断提高，高功 率锂离子电池的重要性也得以显现. 高功率锂离 子电池通常是指具有较高的输入功率密度或输出 功率密度的锂离子电池，可分为“快充”和“快放” 两种类型，本文主要介绍了“快放”型锂离子电池. 根据国家标准 GB/T 31486—2015《电动汽车用动 力蓄电池电性能要求及试验方法》[2] ，高功率蓄电 池是指室温下最大允许持续输出电功率 (W) 和 1C 倍率放电能量 (W·h) 的比值不低于 10 的蓄电 池. 该标准对于 C 的定义为：C1 为 1 小时率额定 容量 (A·h)； I1 为 1 小时率放电电流，其数值等于 C1 (A). 即 1C 电流是指锂离子电池 1 h 完成放电的 电流. 本文针对高功率锂离子电池用正极材料、 负极材料、电解液等关键材料和制备工艺的研究 进展进行综合评述，并作了简要总结与展望. 此外，功率型储能器件的功率密度的测试也 有多种方法：(1) 平均功率法[3] ，即单位时间内释放 的能量，P = E/t，但是在高倍率下放电时间短、误 差大，这种方法受限于测试设备的精度和采点频 率；(2) 美国 FreedomCAR 项目功率密度测试方法 (简称 HPPC 法) [4] ，测试方法中将电池采用 HPPC 方法通过 10 s 脉冲充放电试验计算出放电内阻 Rdis，最大放电电流为 Imax = (UOC − Umin)/Rdis，放电 功率能力 Pmax = Umin × Idmax，其中 UOC 为开路电 压，Umin 为最小电压，Pmax 为最大功率；(3) 日本电 动车辆协会功率密度测试方法 (简称 JEVS 法) [4] ， 在 0～100% 荷电状态 (SOC) 下按不同倍率进行交 替充电 10 s 和放电 10 s 试验，获得测试电流与电 压曲线，通过拟合得出该 SOC 下对应截止电压下 的最大放电电流，Pmax = Udis-cutoff × Idmax， Udis-cutoff 为放电截止电压；(4) 2 s 脉冲放电法[5] ，测试方法 为将电池用 1C 电流充电至截止电压，然后用不同 电流放电 2 s，计算最大电流 Idmax 与 2 s 终了时电 压的乘积 Pmax = U2s × Idmax，U2s 为 2 s 终了时的电 压；(5) 峰值功率法，充放电测试设备在放电时电 流从 0 A 增大至设定的电流值需要有一个约 15 ms 的时间过程，此时的峰值功率密度为 Pmax = U15 ms × Idmax，U15 ms 为 15 ms 终了时的电压. 1    正极材料 正极材料是锂离子电池中的“锂源”，通常既 要提供充放电时在正负极之间往返的锂离子，又 要提供锂离子电池首周充放电形成固体电解质相 界面 (简称 SEI) 膜时于负极所消耗掉的锂离子. 正 极材料对电池功率的影响主要体现在工作电压 U 及内阻 R 上，其中电压 U 由电极材料的热力学 本征特性决定，而内阻 R 则与正极材料的结构、掺 杂改性、表面包覆及制备工艺等多种因素相关. 高功率锂离子电池正极往往会采用高电压材料并 对其进行各种改性来提高电压以及降低内阻[6−7] . 最重要的高电压正极材料为高电压钴酸锂、镍锰 酸锂和高电压三元材料等. 1.1    高电压钴酸锂 钴酸锂（LiCoO2）具有 R3m 层状结构，在电池正 极材料中具有最高的理论密度值和较高的体积能 量密度，也是最早实现大规模应用的锂离子电池 正极材料. 最初的钴酸锂的工作电压为 4.25～4.3 V （相对于锂电极，下同），比容量为 130～150 mA·h·g–1 ； 2013 年后，工作电压为 4.35～4.4 V、比容量为 170～ 175 mA·h·g–1 的钴酸锂面市. 目前，功率型钴酸锂 的充电电压可达到 4.5 V. 然而，追求高电压的钴 酸锂会带来一系列的技术问题，包括体相结构变化、 O 参与电荷转移过程、表面结构变化、界面副反应 以及高电压配套技术五个方面，如图 1 所示，这些 方面的问题同样出现在其他高电压正极材料中 [8] . · 2 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期