新材料究竟能不能大幅提升锂离子电池容量？

锂离子电池已是现代高性能电池的代表，应用最为广泛，其主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。而今消费电子和动力电池对能量密度提升的需求，推动着正极材料不断进步——通常，人们采用的是锂、氧和一种过渡金属的化合物为电池正极，这其中，正是过渡金属负责储存和释放电能，其性质也是电池容量的关键。

 

现阶段最常用的过渡金属是钴，而此前科学家研究发现，如果用镁取代钴，可以在提高容量的同时降低成本，但镁也有一定缺陷——电池性能退化太快，仅两轮充放电后就出现大幅下降。

 

据美国西北大学官方网站介绍，此次团队研发的新材料是掺有铬和钒元素的锂镁氧化物，其用作锂离子电池的正极，电池容量出现了大幅提高，同时兼具性能稳定、不会迅速退化的优点。

 

西北大学研究小组先是为锂镁氧化物材料建立了一个结构模型。该模型详细到了单个原子，团队借此分析了全部充放电过程，发现其中的氧也会参与存储电能，因而容量比以往要大。

 

随后，研究人员尝试了将不同元素掺入锂镁氧化物的方案，以期计算出不同混合物各自的储能效果。最终他们发现，掺入铬和钒能在保持电池大容量的同时实现最稳定性能。锂离子电池是一种可充电二次电池，主要由正极、负极、电解液、隔膜和集流体等主要5部分组成。正负极材料主要功能是使锂离子较自由的脱出/嵌入，从而实现充放电功能。锂离子电池工作原理如下图1所示,充电过程中，锂离子从正极材料中脱出，经过电解液嵌入到对应的负极材料中，同时电子从正极流出经过外电路流向负极;锂电池放电时，锂离子从负极脱出，经过电解液重新嵌入到正极材料中，同时电子经过外电路从负极流向正极。因而锂电池的充放电过程本质就是锂离子在正负极之间的脱锂和嵌锂的过程。在理想状态下，认为在正负极材料之间的脱锂和嵌锂过程不会引起正负极材料结构的损坏，可以视作是充放电过程可逆。

 

锂电池优点如下：能量密度大，可达120～260Wh/kg;工作电压高，3.6～3.7V;自放电率低，年自放电低于10%;无记忆效应，可以随时充、放电;使用寿命长，超过1 000次，可达2 000次;绿色环保，不含镉、铅、汞等重金属。

 

二、负极材料

 

锂电池负极材料目前处于锂离子电池产业中最关键的环节。按锂离子电池成本比例，负极材料占比锂电池总成本的25%～28%。相对于锂电池正极材料，负极材料的研究方兴未艾。较为理想的负极材料最少要具备以下7点条件：化学电位较低，与正极材料形成较大的电势差，从而得到高功率电池;应具备较高的循环比容量;在负极材料中Li+应该容易嵌入和脱出，具有较高的库伦效率，以至于在Li+脱嵌过程中可以有较稳定的充放电电压;有良好的电子电导率和离子电导率;有良好的稳定性，对电解质有一定的兼容性;对于材料的来源应该资源丰富，价格低廉，制造工艺简单;安全、绿色无污染。

符合以上各个条件的负极材料目前基本不存在，因此研究能量密度高，安全性能好，价格便宜，材料易得的新型负极材料成为当务之急，这也是现阶段锂电池研究领域的热门课题。现阶段，锂离子电池负极材料主要有碳材料、过渡金属的氧化物、合金材料、硅材料及其他含硅材料，含锂的过渡金属的氮化物以及钛酸锂材料。各种材料的比容量和性质又各不相同，