鋰離子電池研究進展
摘要 介紹了鋰離子電池的電化學原理以及鋰離子電池正極材料、負極材料及電解質材料的研究進展，並描述了其特點和發展前景。
關鍵詞鋰離子；二次電池；電極材料
隨著經濟以及電子技術的迅速發展，以及空間和軍用的需要，對體積小、重量輕、比能量高和使用壽命長的電池要求日益迫切，鋰離子二次電池正是在這一形式下發展起來的一種新型電源。與傳統的鉛酸和鎘鎳等電池相比，鋰離子電池具有比能量高、使用壽命長、汙染小和工作電壓高等特點[1]。隨著人們對環保安全穩定電源要求的日益增加以及電動汽車的發展，作為綠色環保高能的鋰離子電池應用十分廣泛，市場潛力巨大，是近幾年備受關注的研究熱點之一[2]。
本文介紹了鋰離子電池的研究現狀，並且對其應用前景做了展望。
1、鋰離子電池工作原理及特點
鋰離子電池是在二次電池的基礎上發展起來的一種新型充電電池，他的正極材料是能發生鋰離子嵌入—脫出反應的物質。在充電態負極處於富鋰態，正極出於貧鋰態，隨著放電的進行，鋰離子從負極脫嵌，經過電解質嵌入正極，放電時則以相反的方向進行，在充放電過程中，鋰離子在正負極之間搖來搖去，而沒有金屬鋰的析出[3]。這種電池的工作電壓與構成電極的鋰離子嵌入化合物的濃度有關，用作電極的材料主要是過渡金屬、錳的鋰離子嵌入化合物和鋰離子嵌入碳化合物。
鋰離子電池的一般特點有：體積及質量比能量高、單電池的輸出電壓高、自放電率小、能在較高的溫度下使用、對環境汙染小[4]。
2、鋰離子電池的研究進展
研究鋰離子電池的關鍵是採用能在充放電過程中嵌入和脫出鋰離子的正負極材料以及合適的電解質材料。
2.1、負極材料
鋰離子電池的負極是由負極活性物質碳材料或非碳材料、粘合劑和新增劑混合製成糊狀膠合劑均勻塗抹在銅箔兩側，經乾燥、滾壓製成。鋰離子電池能否成功地製成，關鍵在於能否製備出可逆的脫嵌鋰離子的負極材料。一般來說，選擇一種好的負極材料應遵循以下原則：
比能量高、相對鋰電極的電極電位低、充放電反應可逆性好、與電解液和粘結劑的相容性好、比表面積小、嵌鋰過程中尺寸和機械穩定性好、資源豐富、**低廉、在空氣中穩定且無毒***[5]。目前，已經實際應用於鋰離子電池的負極材料一般都是碳素材料，如石墨、軟碳、硬碳等。正在探索的負極材料有氮化物、pas 、錫基氧化物、錫合金、奈米負極材料，以及其他的一些金屬間化合物等[5]。
石墨石墨材料的導電性好，結晶度較高，具有良好的層狀結構，適合鋰離子的嵌入—脫嵌，形成鋰—石墨層間化合物，充放電比容量可達300mah/g以上，充放電效率在90%以上，不可逆容量低於50mah/g。鋰在石墨中脫嵌反應發生在0~0.25v左右，具有良好的充放電電位平台，是目前鋰離子電池應用最多的負極材料。
軟碳軟碳即易石墨化碳，是指在2500℃以上的高溫下能石墨化的無定形碳。軟碳的結晶度（即石墨化度）低，晶粒尺寸小，晶面間距較大，與電解液的相容性好，但首次充放電的不可逆容量較高，輸出電壓較低，無明顯的充放電平台電位。常見的軟碳有石油焦、針狀焦、碳纖維、碳微球等。
硬碳硬碳是指難石墨化碳，是高分子聚合物的熱解碳，這類碳在2500℃以上的高溫也難以石墨化。常見的硬碳有樹脂碳、有機聚合物熱解碳、碳黑，日本sony公司已將樹脂碳pfa-c用作鋰離子電池負極材料，具有很好的充放電效能。另一種硬碳材料是由酚醛樹脂在 800℃以下熱解得到的非晶體半導體材料多並苯，其容量高達800mah/g ，晶面間距為0.
37~0.40nm，有利於鋰在其中嵌入脫嵌，迴圈效能好[6]。
氮化物碳負材料是一種良好的負極材料並早已工業應用，但比容量較低，碳材料解體會導致容量衰減，近幾年來，有許多科研工作者對氮化物體系進行了研究。早在20世紀50年代，德國已有科學家對此展開了合成與結構方面的研究，20世紀80年代對li3n作為固體電解質的研究較多，有很好的離子導電性，但其分解電壓很低，不宜直接作為電極材料。而過渡金屬氮化物則有好的化學穩定性和電子導電性，鋰-過渡金屬氮化物兼有兩者性質，適宜作為電極材料。
金屬氧化物為了彌補碳負極材料在首次充放電過程中的不可逆容量損失和內部結構變化和電接觸不良的缺陷，目前的金屬氧化物材料成為了研究物件，其中sno材料更是研究中的重點，這是由於錫基氧化物儲鋰材料有容量密度較高、清潔無汙染、原料**廣泛、**便宜等優點。
金屬間化合物為了降低電極的不可逆容量,又能保持負極結構的穩定，可以採用金屬間化合物來作為鋰離子電池的負極。但也應注意到，合金的可逆生成與分解伴隨著巨大的體積變化，引起合金**。而解決的方法是製備顆粒極細的活性材料，使之不能形成大的原子簇或是使用活性或非活性的復合合金。
其中不與li反應的惰性金屬作為基體與導電成分容納合金組分[7]。al也能形成多種金屬間化合物，但目前研究相對較少。
2.2正極材料
相比負極而言，鋰離子電池正極材料的研究相對滯後，其能量密度和功率密度都較低，因而正極材料的研究成了鋰離子電池材料研究的焦點和熱點。
licoo2是目前已被商業化使用的正極材料，但是co毒性大，資源貧乏**昂貴。為了提高licoo2的容量，改善其迴圈功能，研究者採用摻雜和包覆的方法對其改性。採用固相法合成了ni摻雜的lini1-ycoyo2材料，發現當y=0.
5時，其首次放點容量達到147.6mah/g，能量衰減率僅為1.4mah/g/cycle[8]。
採用等離子體增強化學氣相沉積法，通過在licoo2粉末表面塗覆zno，得到了迴圈效能良好的licoo2正極材料[9]。
limn2o4正極材料安全效能好，資源豐富，且無毒性，但其電化學效能較差，結構不穩定，存在john-teller效應[10]，因此在充放電過程中，易發生晶格畸變，使容量衰減加快，電解液的分解也會導致其結構部穩定。研究者採用摻雜[11]、包覆[12]的方法對其進行改性，從而改善其電化學效能，降低容量衰減。
lifepo4正極材料的結構穩定性好，但是電導率較低，高倍率下充放電時，可逆容量下降很快，研究者分別採用摻雜、包覆和奈米化[13]的方法對其進行改性，並取得了很好的結果。
li3v2（po4）3的製備方法[14]主要有固相法、溶膠凝膠法、微波合成法和水熱合成法等，其中固相法是一種比較常用的方法。由於 li3v2（po4）3材料中磷酸根離子較大，一方面有利於提高材料結構的穩定性，另一方面卻增加了金屬釩離子之間的距離，從而使材料的電子電導率降低，鋰離子擴散速度慢，這成為了 li3v2（po4）3材料的致命缺點[15]。因此，研究者主要從包覆和摻雜兩個方面進行改性。
由於不同組分的正極材料具有不同的電化學效能，越來越多的研究者趨向於將兩種或兩種以上正極材料進行復合，以期獲得效能更優的材料，研究者利用fe(no3)3和nh4vo3製備出fevo4水合物前驅體，然後通過化學氧化還原法合成出了複合材料，該材料展示了比純相li3v2（po4）3更為優異的電化學效能[16]，受到研究者的重視，隨著研究的深入，首次不可逆容量高及倍率效能較差的缺點正在被逐步克服，為實用化打下了堅實的基礎。複合材料以其優異的綜合性能，必將受到越來越多的關注。
3、結語
綜上所述，近年來鋰離子電池中正負極活性材料的研究和開發應用，在國際上相當活躍，並已取得很大進展。材料的晶體結構規整，充放電過程中結構不發生不可逆變化是獲得比容量高，迴圈壽命長的鋰離子電池的關鍵。然而，對嵌鋰材料的結構與效能的研究仍是該領域目前最薄弱的環節。
鋰離子電池的研究是一類不斷更新的電池體系，物理學和化學的很多新的研究成果會對鋰離子電池產生重大影響，比如奈米固體電極，有可能使鋰離子電池有更高的能量密度和功率密度，從而大大增加鋰離子電池的應用範圍。總之，鋰離子電池的研究是乙個涉及化學、物理、材料、能源、電子學等眾多學科的交叉領域。目前該領域的進展已引起化學電源界和產業界的極大興趣。
可以預料，隨著電極材料結構與效能關係研究的深入，從分子水平上設計出來的各種規整結構或摻雜復合結構的正負極材料將有力地推動鋰離子電池的研究和應用。鋰離子電池將會是繼鎳鎘、鎳氫電池之後，在今後相當長一段時間內，市場前景最好、發展最快的一種二次電池。
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