锂离子电池的最新研究及进展

锂离子电池：是一种二次电池(可充电电池)，主要是依靠锂离子在电池正极和负极之间的移动进行工作。即在充放电过程中，Li⁺ 在两个电极之间往返进行嵌入和脱嵌过程。其中，充电时，Li⁺从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；而放电时则刚好相反。目前，手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池。因为锂离子电池存在以下优点：1)、电压高，单体电池的工作电压高达3.7-3.8 V；2)、比能量大；3)、循环寿命长；4)、安全性能好，无公害，无记忆效应；5)、自放电小；6)、快速充电；7)、工作温度，工作温度一般在25~45^oC之间。然而，宏观上锂离子电池主要有以下缺点：1)、衰老，有使用寿命；2)、回收率低；3)、不耐受过充；因为过充电时，过量嵌入的锂离子会永久固定于晶格中，无法再释放，可导致电池寿命减短。4)、不耐受过放；因为过放电时，电极将脱嵌过多的锂离子，可导致晶格坍塌，从而缩短寿命。因此，我们在使用装有锂离子电池的电子产品时，应该注意一些事项：充电时不得高于最大充电电压，放电时不得低于最小工作电压；不要经常深放电、深充电；避免高温，轻则缩短寿命，严重者可引发爆炸；锂离子电池不使用时也会自然衰老。锂离子电池在我们生活中扮演不可或缺的重要角色，那么目前关于锂离子电池的最新发展又是怎么的呢？目前又有那些方法来克服或者避免其自身缺点呢？

自20世纪90年代锂离子电池（LIBs）成功商业化以来，已被广泛应用于便携式数字产品。然而，已有许多LIBs的能量密度和功率密度不足以满足目前持续增长的需求。

因此，考虑到电池系统的成本分布，探索具有优异的倍率性能和长循环寿命的负极/正极材料是至关重要的。虽然纳米级电极材料可以由短扩散通道和大表面积快速吸收和储存大量Li⁺，但是纳米颗粒的低热力学稳定性导致电化学附聚并且提高了电解质上发生副反应的风险。以下方法可以改善上述缺点。

富Ni的层状过渡金属氧化物源自高容量的LiNiO₂。由于例如氧化还原活性Ni⁴⁺/Ni³⁺的能带仅与Li_1-xNiO₂中的2p带O₂离子的顶部略微重叠，因此当在以下范围内循环时，LiNiO₂可以获得约200 mA hg^-1的容量。然而，由于Ni³⁺离子迁移到Li层，LiNiO₂受到非化学计量结构、结构退化和容量衰减的困扰。为了提高热稳定性和改善性能降低，已经研究了阳离子取代的层状过渡金属氧化物以及结构掺杂，如下。

除了LiFePO₄和LiMnPO₄之外，LiFe_xMn_1-xPO₄也是一种很有前途的负极材料。例如Scrosati及其同事通过两步沉淀路线制备碳涂层的核-壳结构的LiMn_0.85Fe_0.15PO₄-LiFePO₄，很好的结合了LiMnPO₄的高电位和LiFePO₄的高稳定性。

独特的分层结构中有电解质膨胀的宏/中孔的网络和缓冲的保护性碳壳，有利于连续电子传导和快速离子传输。例如，以下例子：

尽管Li₃V₂(PO₄)₃具有比LiFePO₄和LiMnPO₄更高的电子传导率（≈10^-7 S cm^-1），但是该值仍然很低严重限制了其功率密度。Mai和同事通过水热和退火处理制造了双连续的分层Li₃V₂(PO₄)₃ /C中孔纳米线。分层结构赋予Li₃V₂(PO₄)₃ /C纳米线具有增强的倍率性能和循环稳定性。当在3.0和4.3V之间循环时，该复合材料实现了高倍率性能和超长期循环性（3000次循环后容量保持率为80.0％）。在独特的分层结构中有电解质膨胀的宏/中孔网络和缓冲的保护性碳壳，有利于连续电子传导和快速离子传输。

“转化反应”通常是指Li⁺与过渡金属化合物(M_a X _b，M = Mn，Fe，Co，Ni，Cu，X = O，S，Se，F，N，P等)之间的氧化还原反应。其涉及具有高理论比容量的锂二元化合物（Li_n X）的形成和分解（方程式1）。通常，由M-X键的离子性确定的反应电位在相对于Li/Li⁺的0.5-1.0V的范围内，使得大多数过渡金属化合物都可以作为潜在的正极。

在该等式中，Li_n X的形成在热力学上是可行的。然而，通过本体M粉末难以分解电化学惰性的Li_n X。因此，这种转化机制可逆性的关键在于形成高电活性M纳米颗粒以分解由固体电解质中间相 (SEI)层包围的Li_n X基质。此外，电压滞后似乎高度依赖于转换型正极材料(CTAM)中阴离子物质的性质，以氟化物 > 氧化物 > 硫化物 > 氮化物 > 磷化物的顺序降低。