撰文：王紹雨

責(zé)編：陳昌磊

所屬板塊：研之成理新聞部

隨著全球能源需求的持續(xù)增長，社會的快速發(fā)展,，可再生能源和存儲先進材料的發(fā)展對可持未來的發(fā)展十分重要,，同樣，高效的能源存儲方式變得尤為關(guān)鍵,。電化學(xué)儲能器件（如鋰離子電池,、鋰硫電池、電化學(xué)電容器等）是一種典型高效儲能系統(tǒng),。在我們現(xiàn)實生活中應(yīng)用廣泛,，息息相關(guān)。而鋰電池就是其中一種,，鋰電池,，是一種二次電池（充電電池），具有高能量密度,，無記憶效應(yīng),，循環(huán)壽命長，無污染,，重量輕等優(yōu)點,。應(yīng)用在手機、平板,、移動電源,，電動車，以及有前景的新能源汽車等方面,。

鋰電池主要組成成分有：正極材料,，負極材料，電解液,，還有隔膜,。

一、正極材料

正極是鋰離子和電子的中轉(zhuǎn)中心,，很容易發(fā)生相變,。另一方面，在深度充電情況下,，電極-電解質(zhì)界面發(fā)生的副反應(yīng)往往會使電極結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定,。是一種具有可逆可逆地插入及脫出鋰離子能力的嵌鋰化合物，在鋰電池中占有較大比例,，性能直接影響著電池的性能,，成本也也直接決定電池的成本。

鋰電池正極材料的要求：

鋰電池的正極材料分類：

正極材料是鋰離子電池最為關(guān)鍵的原材料,，不同的正極材料性能各有利弊,，根據(jù)不同產(chǎn)品的需求,，選擇的正極材料品種不盡相同。消費類電子產(chǎn)品領(lǐng)域鋰離子電池正極材料的性能需求側(cè)重鋰離子電池能量密度和安全性,，鈷酸鋰為目前消費類電子產(chǎn)品鋰離子電池主要的正極材料,；動力電池正極材料的性能需求為高電壓、高能量,、高功率和寬溫度范圍,，磷酸鐵鋰、錳酸鋰,、三元材料是目前動力鋰離子電池正極材料的主要原材料,，其中三元材料是未來動力電池正極材料的趨勢；在動力電池方面,，鈦酸鋰是新的發(fā)展方向,。

二、負極材料

負極材料的工作往往依賴于有效的異質(zhì)結(jié)構(gòu)鈍化層,，溫度升高將使得鈍化結(jié)構(gòu)破壞,，并引發(fā)副反應(yīng)；而溫度降低又將降低鋰離子的透過性,。

鋰電池的負極材料分類：

負極材料主要以碳素材料為主,，石墨類負極材料在負極材料中處于絕對主流的優(yōu)勢。常規(guī)石墨負極材料的倍率性能已經(jīng)難以滿足鋰離子電池下游產(chǎn)品的需求,。在消費類電子產(chǎn)品方面,，需要提高電池的能量密度，以硅-碳(Si-C)復(fù)合材料為代表的新型高容量負極材料是未來發(fā)展趨勢,。

三,、電解液

電解液一般由高純度的有機溶劑、電解質(zhì)鋰鹽,、必要的添加劑等原料組成,，在一定條件下，按一定比例配制而成的,，其中電解質(zhì)在電解液成本中比重最大，也是電解液中技術(shù)壁壘最高的環(huán)節(jié),，六氟磷酸鋰是目前市場上主要的鋰離子電池電解質(zhì),。高電壓、寬溫度范圍,、安全性是未來電解液的發(fā)展趨勢,。

四、鋰電池發(fā)展存在的問題

1.體積膨脹

鋰電池在日常生活中的應(yīng)用,，常常會遇到電池體積膨脹變形的問題,，從而阻礙我們的正常使用,。硅基材料具有較高的容量和低放電電位的特點，硅在嵌鋰之后會產(chǎn)生巨大的體積膨脹（~300%）,，從而導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)破壞,，形成連續(xù)不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面（SEI）。

為了解決這些問題,，科研人員對具有新型結(jié)構(gòu)的硅基材料進行了大量的研究,，包括納米結(jié)構(gòu)的硅和硅/碳復(fù)合材料。然而,，減小硅顆粒尺寸對性能的改善程度有限,，硅表面暴露于電解液中仍會造成較低的庫倫效率和容量衰減。目前,，碳包覆納米硅被認為是提高硅基負極電化學(xué)性能的最有效策略之一,。一方面，碳殼提供了體積變化的空間,；另一方面,，碳殼表面形成穩(wěn)定的SEI膜，有利于庫倫效率的提高和容量的保持,。

近期,，華東理工大學(xué)龍東輝教授和美國加州大學(xué)河濱分校郭居晨教授運用硬模板法和軟模板法得到了一種新型碳/硅復(fù)合材料。表現(xiàn)出了良好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能,，大大提高了電極放電容量,。

同樣，最近韓國的科研人員有了新發(fā)現(xiàn),，提出了“分子滑輪”（PR-PAA）理論解決鋰電池膨脹問題,。韓國高等科技學(xué)院的Ali Coskun和Jang Wook Choi等人發(fā)現(xiàn)了一種高彈性粘結(jié)劑，以線性PAA聚合物框架和環(huán)狀多聚糖共價成鍵,，然后由PEG鏈貫穿環(huán)中,。“分子滑輪”中的一部分環(huán)有很強的膠粘特性,，一部分環(huán)有特殊的自由滑動特性,。兩種特性的有機結(jié)合，使粘結(jié)劑彈性得到大幅提高,，可承受硅負極的體積膨脹的收縮變化,，釋放所產(chǎn)生的應(yīng)力，在充放電過程中不至于發(fā)生破裂,，穩(wěn)定性得到增強,。

分子滑輪結(jié)構(gòu)和應(yīng)力釋放機理

2. 鈍化和腐蝕

鋰金屬活性十分高且暴露在電解質(zhì)中或空氣中會重復(fù)損耗，發(fā)生鈍化和腐蝕行為,。斯坦福大學(xué)崔屹教授崔屹直接在TEM環(huán)境中制備純鋰金屬,，觀察鋰金屬在O2,、N2水蒸汽中的納米級鈍化和腐蝕過程，發(fā)現(xiàn)當(dāng)在干燥O2和N2中在金屬鋰上形成規(guī)則的鈍化層,，微量的水破壞了鈍化并且形成多孔薄膜允許氣體滲入并持續(xù)和鋰金屬反應(yīng),。為了探索鋰金屬在干燥氣氛下的自鈍化行為，引入了一種簡單的鋰金屬預(yù)處理,，以形成氮化鋰保護層,，快的離子導(dǎo)電率和穩(wěn)定的氮化鋰界面可以提高電池的性能，在循環(huán)到過程中無枝晶產(chǎn)生且具有低的電壓遲滯,。使得鋰電池的鈍化和腐蝕有一定改善,。

隨著科技的進步，科研技術(shù)的提高,，鋰電池會發(fā)展越來越好,，所面臨的問題會慢慢得到解決，而這需要科研人員日以繼夜的努力,。

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