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?！胺肿踊啞敝械囊徊糠汁h(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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