一、鋰離子電池陽極材料(liao)

早(zao)期陽極材料(liao)是直接采用(yong)(yong)金屬鋰，但在充放電過程中(zhong)會產(chan)生(sheng)(sheng)枝晶鋰會刺破隔(ge)膜而導致短路、漏(lou)電甚至發(fa)生(sheng)(sheng)爆炸。采用(yong)(yong)鋁鋰合金可解(jie)決(jue)枝晶鋰的(de)問(wen)(wen)題，但循環幾次后會出現嚴重的(de)體積膨脹以(yi)至粉末化。搖(yao)椅電池概念(nian)的(de)提(ti)出解(jie)決(jue)了(le)此問(wen)(wen)題，它利用(yong)(yong)具(ju)有層狀結構的(de)非金屬材料(liao)如(ru)石墨存貯鋰以(yi)避免枝晶鋰的(de)產(chan)生(sheng)(sheng)，從而大大提(ti)高電池使用(yong)(yong)安(an)全性(xing)。

目前，具有實用價值或應用前景的鋰離子電池陽(yang)極材(cai)料(liao)(liao)(liao)的研究主要集中(zhong)在四個方面：（1）碳材(cai)料(liao)(liao)(liao)；（2）金(jin)屬(shu)(shu)氧化(hua)物(wu)(wu)；（3）金(jin)屬(shu)(shu)氮化(hua)物(wu)(wu)；（4）納(na)米硅(gui)。而(er)現在能夠作為商品化(hua)鋰離子電池(chi)陽(yang)極材(cai)料(liao)(liao)(liao)廣泛使用的暫(zan)時只有碳材(cai)料(liao)(liao)(liao)。選擇碳材(cai)料(liao)(liao)(liao)作為電池(chi)的陽(yang)極，和如今鋰離子電池(chi)的高性能陰極材(cai)料(liao)(liao)(liao)LiCoO2，LilNiO2，含(han)錳化(hua)合(he)物(wu)(wu)相適應，這些材(cai)料(liao)(liao)(liao)的熱(re)力學穩定形(xing)態(tai)(tai)(tai)是放電狀態(tai)(tai)(tai)的形(xing)態(tai)(tai)(tai)，材(cai)料(liao)(liao)(liao)制備出來是放電形(xing)態(tai)(tai)(tai)，這樣在電池(chi)生產過程中(zhong)陰陽(yang)極材(cai)料(liao)(liao)(liao)都是處于(yu)放電狀態(tai)(tai)(tai)，電池(chi)需要通(tong)過初(chu)次充放電得到活化(hua)。

（一）碳材料

在(zai)石墨(mo)中層(ceng)(ceng)與層(ceng)(ceng)之間靠的(de)是(shi)分子間弱相互作(zuo)用力，有(you)利于鋰嵌(qian)入與脫嵌(qian)。鋰插入到碳(tan)層(ceng)(ceng)中會形成(cheng)嵌(qian)鋰石墨(mo)化(hua)合物，最大理論容(rong)(rong)量(liang)(liang)達372mAh.g1。碳(tan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)可分為天然(ran)碳(tan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)和人工(gong)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)。天然(ran)石墨(mo)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)石墨(mo)化(hua)程度高(gao)(gao)、結晶完整、嵌(qian)入位置多、容(rong)(rong)量(liang)(liang)大，但(dan)對電解(jie)液比(bi)較敏感，循環穩定性較差(cha)。人工(gong)碳(tan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)包括(kuo)軟碳(tan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)和硬(ying)碳(tan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)。軟碳(tan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)可石墨(mo)化(hua)，存在(zai)一定雜質(zhi)，難以(yi)制備高(gao)(gao)純度，但(dan)具有(you)資源豐富、價格低廉。硬(ying)碳(tan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)為各種高(gao)(gao)分子聚(ju)合物經(jing)高(gao)(gao)溫熱解(jie)所得，不(bu)易(yi)石墨(mo)化(hua)，具有(you)高(gao)(gao)無序不(bu)規則結構，容(rong)(rong)量(liang)(liang)很高(gao)(gao)達1000mAh.gl以(yi)上。但(dan)在(zai)硬(ying)碳(tan)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)中存在(zai)較大的(de)不(bu)可逆(ni)容(rong)(rong)量(liang)(liang)。

在碳材料中摻入(ru)鉀、硼以及碳纖維表面上(shang)鍍上(shang)一層Ag，Zn，Sn能夠有效的提高材料的容量及充放電效率(lv)。

（二）金屬氧化物

為了解決金屬(shu)(shu)粉末(mo)化(hua)問題，Idota提(ti)出使用金屬(shu)(shu)氧(yang)化(hua)物如SnO2而不是純(chun)金屬(shu)(shu)作為陽極材(cai)料。在(zai)插鋰(li)過程(cheng)中首先經歷(li)不可(ke)逆反應即SnO2+4Li=Sn+2Lo，所生成的納米單(dan)質(zhi)錫(xi)均勻分散在(zai)由氧(yang)化(hua)鋰(li)所形成的晶格(ge)中。然后繼續嵌入的鋰(li)與錫(xi)形成鋰(li)錫(xi)合金Sn+4.4Li=Lg4Sn，這一過程(cheng)為可(ke)逆過程(cheng)，即鋰(li)可(ke)在(zai)鋰(li)錫(xi)合金中進行(xing)可(ke)逆嵌脫。

LaTisO12在(zai)鋰(li)(li)嵌脫時(shi)LiTisO12+3LiLiTis012晶格(ge)體積基(ji)本(ben)沒變(bian)，材(cai)料循環穩定性好。金屬氧化物Mo（M=Co，Cu，Ni，Fe等）納米材(cai)料在(zai)循環100次后容量仍然(ran)能保持在(zai)700mAh.g1。此外(wai)其它金屬氧化物如(ru)InVO4.FeVO4，MnV206，TiO2也具(ju)有較大的貯鋰(li)(li)能力，但(dan)不(bu)可逆(ni)容量較大。

（三）金屬氮化物

最近(jin)人(ren)們發現一些(xie)過(guo)渡金屬氮化(hua)(hua)物Li3.xMsN（M:Co，Ni，Cu）具有(you)很好的(de)電(dian)化(hua)(hua)學(xue)穩定(ding)性(xing)能(neng)和很高的(de)可(ke)(ke)逆(ni)存量(liang)，充放電(dian)容(rong)(rong)量(liang)可(ke)(ke)達(da)760mAh.glL2.6CooN容(rong)(rong)量(liang)可(ke)(ke)高達(da)900mAh.g1并(bing)可(ke)(ke)用來改善SnO的(de)電(dian)化(hua)(hua)學(xue)性(xing)能(neng)。由于SnO首(shou)次(ci)不可(ke)(ke)逆(ni)容(rong)(rong)量(liang)過(guo)高而限制了(le)它的(de)應用，與(yu)L2.6Coo4N復合可(ke)(ke)有(you)效地(di)降(jiang)低Sno過(guo)高的(de)首(shou)次(ci)不可(ke)(ke)逆(ni)容(rong)(rong)量(liang)以改善材料(liao)的(de)循環性(xing)能(neng)。對(dui)嵌鋰(li)(li)機能(neng)研究(jiu)發現在(zai)首(shou)次(ci)脫鋰(li)(li)后材料(liao)會由六方相向無(wu)定(ding)形相轉化(hua)(hua)，而無(wu)定(ding)形相可(ke)(ke)以嵌入大量(liang)的(de)鋰(li)(li)離子。

（四）納米硅

納米硅(gui)(gui)也具有很(hen)高的(de)貯鋰容(rong)量(liang)，也是目前的(de)一研(yan)究熱點。把納米Si均(jun)勻分(fen)散在(zai)電化學惰性TiN晶格中(zhong)以(yi)及把硅(gui)(gui)沉積在(zai)多孔鎳(nie)基底(di)上制(zhi)成的(de)薄膜(mo)硅(gui)(gui)均(jun)可(ke)(ke)獲得較高容(rong)量(liang)。利用化學蒸氣(qi)沉積法在(zai)碳(tan)材(cai)料中(zhong)復合(he)進去(qu)一些納米硅(gui)(gui)，材(cai)料的(de)容(rong)量(liang)可(ke)(ke)明顯提高，而用碳(tan)包覆硅(gui)(gui)容(rong)量(liang)可(ke)(ke)達1200mAh.gl。

二、鋰離子(zi)電(dian)池陰極(ji)材料

（一）LiCoO2目前(qian)市場上(shang)鋰電(dian)池產(chan)品陰極材(cai)料主要是(shi)采用(yong)LiCoO2，因其制作工(gong)藝簡單，材(cai)料穩定性能(neng)好，循(xun)環次數可(ke)達千(qian)次以上(shang)。但LiCoO2存(cun)在著許多缺點：價格昂貴，對環境有污染(ran)(ran)，安全(quan)性能(neng)不(bu)好，比能(neng)量偏低，約140mAh.g1。用(yong)Ni或Mn部分替代Co一方面可(ke)降低成本(ben)，減少污染(ran)(ran)，還可(ke)以提高材(cai)料的可(ke)逆容量和循(xun)環穩定性能(neng)。

（二）LiNiO2

LiNiO2也具有層狀結構，可逆容(rong)(rong)(rong)量(liang)可達200mAh.g1。但在(zai)制備LiNiO2過程中，容(rong)(rong)(rong)易(yi)產(chan)生富鎳，非化(hua)學計(ji)量(liang)比(bi)材料(liao)LiNi+sO2。由(you)于鋰鎳容(rong)(rong)(rong)易(yi)產(chan)生位錯而(er)影響材料(liao)的(de)容(rong)(rong)(rong)量(liang)和循環穩(wen)定性能，特別是其高氧化(hua)態以及熱穩(wen)定性能都很差(cha)。用其它金屬元素如Co、Al、Ga、Ti、Mg、Mn等部分替代(dai)Ni能有效的(de)改善材料(liao)的(de)電化(hua)學穩(wen)定性能。

混(hun)合摻雜能更好地(di)提高材料的電化學穩定性能。

（三）含錳化合物

錳(meng)的資源十(shi)分豐富(fu)，含(han)錳(meng)材料(liao)價格很低又無(wu)環境污染，作為(wei)陰極材料(liao)很理想(xiang)。

具(ju)(ju)有(you)(you)(you)(you)尖(jian)晶(jing)石結(jie)(jie)構(gou)的(de)(de)LiMn204受到人(ren)們(men)(men)極大的(de)(de)關注(zhu)，研(yan)究(jiu)較(jiao)(jiao)成(cheng)熟(shu)有(you)(you)(you)(you)望(wang)商品化(hua)。但其存在(zai)(zai)著(zhu)循(xun)(xun)環(huan)(huan)性(xing)能(neng)差，容(rong)(rong)(rong)量(liang)(liang)偏(pian)低(di)(di)（理(li)(li)論容(rong)(rong)(rong)量(liang)(liang)為(wei)148mAh.g1）等缺(que)點。造(zao)成(cheng)LiMn204循(xun)(xun)環(huan)(huan)穩定性(xing)差的(de)(de)原因(yin)有(you)(you)(you)(you)錳(meng)在(zai)(zai)電(dian)解液(ye)中的(de)(de)溶解以及結(jie)(jie)構(gou)穩定性(xing)較(jiao)(jiao)差的(de)(de)四方相L2Mn2O4的(de)(de)形成(cheng)，充(chong)放電(dian)過(guo)程中出現顆粒細(xi)化(hua)及結(jie)(jie)晶(jing)性(xing)能(neng)變差等。通過(guo)摻(chan)雜(za)引(yin)(yin)入Cr、Ni、Co、A1、Li等低(di)(di)價金屬元素(su)部分(fen)替代Mn，可提高材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)循(xun)(xun)環(huan)(huan)穩定性(xing)，降(jiang)低(di)(di)鋰離子在(zai)(zai)材(cai)料(liao)(liao)(liao)中遷移內電(dian)阻(zu)Rct以及增(zeng)大離子擴(kuo)散(san)系數從而提高材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)循(xun)(xun)環(huan)(huan)穩定性(xing)能(neng)。如富(fu)鋰尖(jian)晶(jing)石相材(cai)料(liao)(liao)(liao)LiMn2O4循(xun)(xun)環(huan)(huan)2500次(ci)后(hou)容(rong)(rong)(rong)量(liang)(liang)依然能(neng)保(bao)持(chi)在(zai)(zai)初(chu)始容(rong)(rong)(rong)量(liang)(liang)的(de)(de)70%以上。但摻(chan)雜(za)會(hui)降(jiang)低(di)(di)材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)質(zhi)量(liang)(liang)比容(rong)(rong)(rong)量(liang)(liang)，因(yin)此摻(chan)雜(za)不易(yi)過(guo)多。摻(chan)雜(za)F元素(su)以部分(fen)替代0合成(cheng)LiMn2O4xFy和(he)LiAkMmxO4yFx可增(zeng)加Mn2+的(de)(de)含量(liang)(liang)從而提高材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)可逆(ni)容(rong)(rong)(rong)量(liang)(liang)。此外(wai)對(dui)LiMn2O4進行表面(mian)包覆(fu)和(he)表面(mian)修飾能(neng)有(you)(you)(you)(you)效地減(jian)少錳(meng)在(zai)(zai)電(dian)解液(ye)中的(de)(de)溶解，提高材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)電(dian)化(hua)學性(xing)能(neng)。具(ju)(ju)有(you)(you)(you)(you)層狀結(jie)(jie)構(gou)的(de)(de)LiMnO2具(ju)(ju)有(you)(you)(you)(you)較(jiao)(jiao)高的(de)(de)理(li)(li)論容(rong)(rong)(rong)量(liang)(liang)達285mAh.g1，引(yin)(yin)起人(ren)們(men)(men)的(de)(de)極大興趣，但其穩定性(xing)很(hen)差，研(yan)究(jiu)較(jiao)(jiao)不成(cheng)熟(shu)。

（四）含鐵化合物

由于(yu)鐵的(de)(de)(de)資源(yuan)十分豐富不存在(zai)污染(ran)問題(ti)，因此含鐵化(hua)合(he)物作為陰極材料(liao)也引起人們的(de)(de)(de)重視。L正eO2具(ju)(ju)有(you)很高(gao)的(de)(de)(de)初始容量，但(dan)當(dang)鐵處(chu)于(yu)高(gao)氧(yang)化(hua)態Fe+下會與電解質(zhi)發生(sheng)氧(yang)化(hua)還原反應。Li正eO4實際容量可達(da)理(li)論容量170mAh.gl的(de)(de)(de)90%，單(dan)導(dao)電性很差，制備工藝較(jiao)復雜，鐵價態較(jiao)難控制往(wang)往(wang)需要在(zai)氬氣(qi)氣(qi)氛中(zhong)和成。與其具(ju)(ju)有(you)類(lei)似結(jie)構Li正exO4（x=si，Ge）也引起人們極大關注。Licht等人報道(dao)用高(gao)鐵酸鹽如LoFeO4作為陰極材料(liao)具(ju)(ju)有(you)很高(gao)的(de)(de)(de)容量。

此外(wai)V20特別是具(ju)有納米(mi)孔(kong)狀V205具(ju)有很高的貯(zhu)鋰容量達400mAh.gl，也是一個新的研究方向(xiang)，但其(qi)對環境污染較大。

目前(qian)已廣泛應用(yong)和正在進行(xing)開發(fa)研究的陰極材料有以(yi)上(shang)四種(zhong)。其充放電(dian)過程(cheng)可表示為：XA+My=AxMy

作為一種理想(xiang)的陰極材料，所必(bi)須(xu)具(ju)備的是：

（1）大的(de)吉氏自由(you)能，以便(bian)同(tong)陽極之間保持(chi)一個較大的(de)電(dian)位差，提供高的(de)電(dian)池電(dian)壓（高比功率）。

（2）在x范圍內(nei)，鋰離(li)子嵌(qian)入反應的吉氏(shi)自由能改(gai)變量小(xiao)，即鋰離(li)子嵌(qian)入量大且電極電位對嵌(qian)入量的依賴性小(xiao)，以確保鋰離(li)子電池工作電壓穩(wen)定。

（3）廣闊(kuo)的(de)(de)x的(de)(de)范圍，提供高的(de)(de)電池容量。

（4）陰極材料需具有大孔(kong)徑隧道結構(gou)。

（5）鋰離(li)子在“隧道”中有較大(da)的(de)(de)擴散(san)系(xi)數和(he)離(li)子淌度，保證大(da)的(de)(de)擴散(san)速率，并具有良好的(de)(de)電(dian)子導電(dian)性，以便提高鋰離(li)子電(dian)池的(de)(de)最大(da)工(gong)作電(dian)流。

（6）具有(you)大量的界面結(jie)構(gou)和表(biao)觀結(jie)構(gou)，有(you)利于增加嵌鋰容量。

（7）陰極材料具有(you)較小的(de)改(gai)性，以保證良好的(de)可(ke)逆性，使可(ke)循環次(ci)數提高(gao)。

在電解質溶(rong)液中溶(rong)解性很低(di)。