鋰離子電池正極材料發(fā)展史基本就是大半個鋰離子電池的發(fā)展史，從最早的鈷酸鋰一枝獨秀，到如今的磷酸鐵鋰、三元NCM及NCA、尖晶石材料等，鋰電池正極材料的技術(shù)也是在不斷的發(fā)展。隨著電動汽車對鋰電池能量密度的要求不斷提高，傳統(tǒng)的正極材料已經(jīng)無法滿足這些要求，而富鋰錳基正極材料隨之而起，其比容量可達(dá)到300mAh/g以上，截止電壓可達(dá)到4.5V，毒性低、價格低，被認(rèn)為是最有前途的正極材料之一。富鋰錳基正極材料是一種過渡金屬以錳為主并摻雜了其它元素的鋰錳基復(fù)合氧化物，屬于層狀結(jié)構(gòu)的錳系材料，化學(xué)式一般寫作xLi2MnO3（1-x）LiMO2（其中0<x<1，M為過渡族金屬），包含Li2MnO3和LiMO2兩種成分。但是其存在首次庫倫效率低、倍率性能差、循環(huán)過程中電壓衰減、體積比能量低等問題。

 

Gerbrand Ceder課題組[1]提出將高價位的陽離子和氟部分取代無序的巖鹽結(jié)構(gòu)的策略，將可逆的Mn2+/ Mn4+雙氧化還原對結(jié)合到富鋰錳基正極材料中。用此方法制備的富鋰錳基正極材料具有高容量和高能量密度，且Mn2+/ Mn4+雙氧化還原對的使用降低了氧的氧化還原性，因而使正極材料更加穩(wěn)定，并且為鋰離子電池高性能富錳基正極材料的設(shè)計開拓了新思路。Prof. Dingguo Xia課題組[2]近期報道了他們在富錳基正極材料的可控制備和陰離子電荷補償機(jī)制研究方面的最近進(jìn)展，通過構(gòu)筑一種O2型具有單層Li2MnO3超結(jié)構(gòu)的富鋰材料，可提供400mAh/g的可逆容量，能量密度可高達(dá)1360wh/kg，是目前鋰離子電池富錳基正極材料的最高可逆容量。這種材料通過一個單層的Li2MnO3來激活穩(wěn)定的陰離子氧的氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致一個高度可逆的充放電循環(huán)。文章還提出，研究陰離子電荷補償機(jī)制、探索可逆性的影響因素對于下一代新型高比容量鋰離子電池正極材料設(shè)計與制備有著十分重要的意義。其課題組還報道將Fe3+摻雜進(jìn)入立方型Li2TiO3中，提供了穩(wěn)定的陰離子氧化還原反應(yīng)，結(jié)合第一性原理計算，電子轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在被Fe3+包圍的氧院子上，而不是Ti4+，F(xiàn)e3+作為催化劑引入到材料中促進(jìn)穩(wěn)定的氧化還原反應(yīng)[3]。

 

就負(fù)極而言，硅因為其巨大的儲量和其超高比容量（4200mAh/g，相當(dāng)于現(xiàn)在商業(yè)化石墨負(fù)極的十倍左右）、低廉的價格成為了世界各研究組的研究重點，是目前生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)最為成熟、商業(yè)化程度最高的高容量負(fù)極材料，也被認(rèn)為是下一代最理想的負(fù)極材料之一。然而硅作為負(fù)極其問題也很嚴(yán)重，如在電池循環(huán)中，硅會經(jīng)歷300%～400%的體積膨脹變化從而導(dǎo)致電極容易粉碎化，電池失效等，所以限制了其性能的提高。解決硅材料體積膨脹的途徑主要有三個：硅納米化，比如納米硅顆粒、硅納米線、硅納米薄膜等抑制硅在充放電過程中的體積變化；制備特殊形狀的硅材料，利用硅自身的形變吸收其形變；硅碳復(fù)合材料。

 

雖然現(xiàn)在對多孔硅納米顆粒應(yīng)用的較多，其合成制備工藝較為復(fù)雜，成本較高，能耗較大。Prof. Yan Yuk課題組[4]發(fā)現(xiàn)大自然中的蘆葦就可以制備多孔硅（見圖1），他們將蘆葦葉煅燒并作為硅源和模板，再進(jìn)行Hcl蝕刻、過濾得到3D的多孔SiO2，并原位生成MgO，通過鎂熱還原法制備得到了3D的多孔Si-C負(fù)極，據(jù)報道在10C電流密度下，經(jīng)過4000個循環(huán)，容量仍可達(dá)420mAh/g，而且制備方法簡易環(huán)保。Prof. Jia Zhu課題組[5]使用工業(yè)生產(chǎn)中的低純度硅，采用特殊的納米成孔工藝，通過球磨、退火、酸處理，得到多孔硅（如圖2），且而還可以準(zhǔn)確連續(xù)的調(diào)控其孔隙率從17%到70%。傳統(tǒng)的球磨法大多是通過機(jī)械作用將硅破碎來降低顆粒尺寸，且尺寸也是亞微米，Prof. Xingguo Li等人[6]為了解決納米硅制備過程復(fù)雜及上述問題，提出了一種“反應(yīng)球磨-疏水處理”的方法，得到粒徑<50nm且分布均勻的納米硅顆粒，且能夠均勻的分散在乙醇等溶劑中，有利于與碳復(fù)合，制備得到的硅碳負(fù)極在電流密度2.1A/g下循環(huán)1000圈后仍能保留1750mAh/g的容量。

 

為了緩沖Si負(fù)極材料的體積膨脹，Si材料與石墨材料的復(fù)合成為了最佳的選擇。Si-C復(fù)合技術(shù)，這也是目前市場上主流的Si負(fù)極材料技術(shù)。但是市面上通常是將硅和碳粉進(jìn)行簡單的物理混合，其對硅膨脹形變的吸收還是不盡人意。為了實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，Prof. Yi Cui等人[7]采用化學(xué)氣相沉積法（CVD），將天然石墨放在900℃的爐中，通以硅烷和乙炔，制備得到Si-C復(fù)合材料。納米Si一部分沉積在石墨表面，一部分嵌入石墨孔隙間，降低了Si體積膨脹，提高電池容量和循環(huán)穩(wěn)定性，并有望實現(xiàn)量產(chǎn)化。還可以通過將硅進(jìn)行碳包覆， Prof. Jianping Yang等人[8]首先制備了Si@C核殼結(jié)構(gòu)，包覆在硅核外面的碳不僅可以阻止硅直接接觸電解液發(fā)生副反應(yīng)形成不穩(wěn)定的SEI膜，還可以提高電極的導(dǎo)電性，更重要的是能夠緩沖充放電過程中硅體積膨脹帶來的結(jié)構(gòu)應(yīng)變，然后在此基礎(chǔ)上引入少量的Ge納米晶粒（見圖3）對Si@C進(jìn)行表面修飾得到Si@C@GeO2,Ge納米晶粒起到迷你集流體的作用，提高鋰離子擴(kuò)散速率，從而獲得高容量的鋰電池，在150個循環(huán)后還可以保持1854mAh/g的容量。Prof. Xianmao Lu[9]等人還制備了Si@Cu復(fù)合負(fù)極，先是將銅基底浸在NaOH和(NH4)2S2O8中進(jìn)行刻蝕得到Cu(OH)2的納米線陣列，在納米線表面磁控濺射Si，再進(jìn)行氫氣還原得到Si@Cu的納米線，還可以多次濺射得到多層的Si@Cu納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)，將Si@Cu負(fù)極做成電池循環(huán)1500周后還可以維持87%的初始容量。

 

2、鈦酸鋰

 

隨著快速充放電、高倍率放電、高安全性需求的增大，鈦酸鋰（Li2O-TiO2）近幾年也是研究的熱點。銀隆鈦酸鋰電池的充放電倍率能達(dá)到10-20C，而普通的石墨負(fù)極電池充放電倍率僅有2-4C，主要用在新能源公交車和大型車能裝備上。

 

但鈦酸鋰的生產(chǎn)過程中經(jīng)常會涉及到水的合成反應(yīng)，比如水熱反應(yīng)或溶膠-凝膠法，然后在鋰電池中水會和LiPF6，金屬鋰負(fù)極等反應(yīng)，人們會通過在500℃以上高溫煅燒來除去所有的水，這樣造成納米顆粒發(fā)生粗化或者團(tuán)聚的負(fù)面效果（圖4）。Ju Li課題組[10]卻驗證了根本不需要高溫煅燒，只需要在一個較低的溫度下<260℃下加熱除去結(jié)合水即可，而這個過程不會引起納米鈦酸鋰的粗化或者團(tuán)聚現(xiàn)象。而Li2O-TiO2中的深度結(jié)合的水不需要除去，甚至這部分水還有利于電池性能的發(fā)揮。并且他們開發(fā)了一系列的鈦酸鋰水合物L(fēng)i2O-TiO2-H2O，用作鋰離子電池負(fù)極后，在35C放電后容量還能達(dá)到130mAh/g，實現(xiàn)高倍率性能且超長循環(huán)壽命的鋰離子電池。

 

3、石墨烯

 

自從2010年石墨烯獲得諾貝爾獎之后，成為了“明星材料”，在全球內(nèi)掀起了一股石墨烯研發(fā)熱潮。石墨烯的克容量較高，可逆容量約700mAh/g，因為可以作為負(fù)極材料，比石墨類負(fù)極的容量要高得多，其片層間距大于石墨，鋰離子在石墨烯片層間可以擴(kuò)散通暢，有利于提高電池性能。但是石墨烯的生產(chǎn)工藝不成熟，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，導(dǎo)致石墨烯作為負(fù)極材料仍存在一定問題，首次放電效率較低，循環(huán)性能較差等問題。

 

Xianjun Zhu等人[11]采用兩步合成法制備了還原氧化石墨烯(RG-O)/Fe2O3復(fù)合電極，先均相沉積，然后在將氧化石墨烯在微波照射下用肼還原，得到Fe2O3修飾的石墨烯片，F(xiàn)e2O3納米顆粒均勻地分散在石墨烯片層的表面（圖5）。放電容量和充電容量分別能達(dá)到1693和1227mAh/g。

 

想要在幾分鐘甚至幾秒內(nèi)就完成快速充放電，并同時獲得高能量密度和高容量密度是鋰離子電池目前面臨的很大挑戰(zhàn)。Huiming Cheng等人[12]通過N-摻雜和B-摻雜石墨烯作鋰電池負(fù)極，能夠在1h內(nèi)甚至幾十秒內(nèi)完成快速充放電，同時獲得高容量密度和優(yōu)良的循環(huán)壽命。近幾年研究者們還提出多孔石墨烯，認(rèn)為多孔石墨烯可以提高電池的能量密度和容量密度，石墨烯片層上的孔有利于使多孔石墨烯片層保持一個插層的狀態(tài)，從而有利于電解液能夠更快的從孔中滲透到整個石墨烯電極，提高離子擴(kuò)散速率。Liming Dai等人[13]提出了N-摻雜的多孔石墨烯用作鋰離子電池的負(fù)極，可以進(jìn)一步提高隔膜的表面潤濕性、石墨烯的導(dǎo)電性和電池容量，其制備的一系列N-摻雜的多孔石墨烯作負(fù)極的鋰電池，可以在0.1A/g的電流密度下6000個循環(huán)后容量依然能達(dá)到384 mAh/cm3.

 

三、隔膜

 

動力電池高能量密度、高安全性、低成本的發(fā)展方向?qū)Ω裟さ陌踩院碗姵匦阅芴岢隽烁叩囊蟆鹘y(tǒng)的聚烯烴PE和PP隔膜由于耐高溫性比較差而已經(jīng)無法滿足動力電池高安全性，且其對電解液較差的浸潤性對其電池性能造成不良影響。綜合這兩方面，改善隔膜的技術(shù)途徑目前主要有：陶瓷涂覆，高聚物涂覆，無紡布，及新型材料膜。新型材料膜的安全使用溫度通常都比較高，也是當(dāng)下科學(xué)家們研究的熱點。

 

聚酰亞胺（PI）是一種綜合性能良好的高聚物，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、高孔隙率和耐高溫性，能夠在-200～300℃下長期使用。Xingxing Liang[14]等將PAA溶液靜電紡絲制備PAA納米纖維膜，然后將PAA納米纖維膜熱亞胺化制備得到PI多孔膜，再將PI多孔膜浸泡在PEO的溶液中，干燥后得到PI/PEO的復(fù)合隔膜。Liyun Cao[15]等人通過靜電紡絲的方法制備得到的PI納米纖維基無紡布能夠在500℃高溫下穩(wěn)定使用，孔隙率達(dá)到90%，對極性電解液的吸液率高，阻抗低，倍率性能好，5C充放電320圈后容量保持率為99.66%。

 

靜電紡絲法制備鋰電池隔膜效率比較低，制備得到的鋰電池隔膜通常孔徑會較大而導(dǎo)致自放電，影響電池的安全性能和電化學(xué)性能。Prof. Baoku Zhu團(tuán)隊[16]提出了用非溶劑致相轉(zhuǎn)換的方法來制備鋰電池隔膜，并用此方法制備了聚間苯二甲酰間苯二胺（芳綸1313，PMIA）的多孔隔膜，具有很好的熱穩(wěn)定性，在160℃下1h的熱收縮為0；且此多孔膜的孔為海綿狀，孔內(nèi)部互相連通，提高了隔膜的離子電導(dǎo)率；聚間苯二甲酰間苯二胺由于自身具有強(qiáng)極性官能團(tuán)，對電解液的浸潤性大大提高，有利于改善電池的循環(huán)性能。