自20世紀(jì)90年代鋰離子電池（LIBs）成功商業(yè)化以來，已被廣泛應(yīng)用于便攜式數(shù)字產(chǎn)品。然而，已有許多LIBs的能量密度和功率密度不足以滿足目前持續(xù)增長的需求。

 

 

因此，考慮到電池系統(tǒng)的成本分布，探索具有優(yōu)異的倍率性能和長循環(huán)壽命的負(fù)極/正極材料是至關(guān)重要的。雖然納米級電極材料可以由短擴散通道和大表面積快速吸收和儲存大量Li+，但是納米顆粒的低熱力學(xué)穩(wěn)定性導(dǎo)致電化學(xué)附聚并且提高了電解質(zhì)上發(fā)生副反應(yīng)的風(fēng)險。以下方法可以改善上述缺點。

 

 

1、從負(fù)極材料上提高能量密度和功率密度的方法

 

 

 

 

 

（1）多層自組裝結(jié)構(gòu)實現(xiàn)集成不同尺寸的材料的優(yōu)點

 

 

在層狀過渡金屬氧化物中，Li和M (M =金屬)陽離子占據(jù)O-陣列的八面體空隙。Li層位于兩個相鄰的MO6八面體層之間，Li離子具有二維(2D)擴散路徑。例如，以下實際例子：

 

 

 

 

 

富Ni層狀過渡金屬氧化物

 

 

富Ni的層狀過渡金屬氧化物源自高容量的LiNiO2。由于例如氧化還原活性Ni4+/Ni3+的能帶僅與Li1-xNiO2中的2p帶O2離子的頂部略微重疊，因此當(dāng)在以下范圍內(nèi)循環(huán)時，LiNiO2可以獲得約200 mA hg-1的容量。然而，由于Ni3+離子遷移到Li層，LiNiO2受到非化學(xué)計量結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)退化和容量衰減的困擾。為了提高熱穩(wěn)定性和改善性能降低，已經(jīng)研究了陽離子取代的層狀過渡金屬氧化物以及結(jié)構(gòu)摻雜，如下。

 

 

（2）核心/蛋黃-殼層結(jié)構(gòu)提供的協(xié)同效應(yīng)

 

 

除了LiFePO4和LiMnPO4之外，LiFexMn1-xPO4也是一種很有前途的負(fù)極材料。例如Scrosati及其同事通過兩步沉淀路線制備碳涂層的核-殼結(jié)構(gòu)的LiMn0.85Fe0.15PO4-LiFePO4，很好的結(jié)合了LiMnPO4的高電位和LiFePO4的高穩(wěn)定性。

 

 

（3）大孔、中孔和微孔的多孔結(jié)構(gòu)適應(yīng)體積膨脹并促進電解質(zhì)滲透

 

 

獨特的分層結(jié)構(gòu)中有電解質(zhì)膨脹的宏/中孔的網(wǎng)絡(luò)和緩沖的保護性碳?xì)?，有利于連續(xù)電子傳導(dǎo)和快速離子傳輸。例如，以下例子：

 

 

盡管Li3V2(PO4)3具有比LiFePO4和LiMnPO4更高的電子傳導(dǎo)率（≈10-7S cm-1），但是該值仍然很低嚴(yán)重限制了其功率密度。Mai和同事通過水熱和退火處理制造了雙連續(xù)的分層Li3V2(PO4)3/C中孔納米線。分層結(jié)構(gòu)賦予Li3V2(PO4)3/C納米線具有增強的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。當(dāng)在3.0和4.3V之間循環(huán)時，該復(fù)合材料實現(xiàn)了高倍率性能和超長期循環(huán)性（3000次循環(huán)后容量保持率為80.0％）。在獨特的分層結(jié)構(gòu)中有電解質(zhì)膨脹的宏/中孔網(wǎng)絡(luò)和緩沖的保護性碳?xì)ぃ欣谶B續(xù)電子傳導(dǎo)和快速離子傳輸。

 

 

（4）改變鋰離子電池的負(fù)極材料

 

 

例如，最近麥立強教授和周亮教授團隊發(fā)表的Chem. Soc. Rev. 綜述，詳細(xì)的總結(jié)了硅氧化物作為一種富有前景的鋰離子電池負(fù)極材料。

 

 

2、從正極材料上提高提高能量密度和功率密度的方法

 

 

（1）納米工程技術(shù)來增強轉(zhuǎn)換型正極材料(CTAM)

 

 

“轉(zhuǎn)化反應(yīng)”通常是指Li+與過渡金屬化合物(MaXb，M = Mn，F(xiàn)e，Co，Ni，Cu，X = O，S，Se，F(xiàn)，N，P等)之間的氧化還原反應(yīng)。其涉及具有高理論比容量的鋰二元化合物（LinX）的形成和分解（方程式1）。通常，由M-X鍵的離子性確定的反應(yīng)電位在相對于Li/Li+的0.5-1.0V的范圍內(nèi)，使得大多數(shù)過渡金屬化合物都可以作為潛在的正極。

 

 

MaXb+ (b.n)Li++ (b.n)e-aM + b LinX （等式1）

 

 

在該等式中，LinX的形成在熱力學(xué)上是可行的。然而，通過本體M粉末難以分解電化學(xué)惰性的LinX。因此，這種轉(zhuǎn)化機制可逆性的關(guān)鍵在于形成高電活性M納米顆粒以分解由固體電解質(zhì)中間相(SEI)層包圍的LinX基質(zhì)。此外，電壓滯后似乎高度依賴于轉(zhuǎn)換型正極材料(CTAM)中陰離子物質(zhì)的性質(zhì)，以氟化物> 氧化物> 硫化物> 氮化物> 磷化物的順序降低。

 

 

利用納米工程技術(shù)來增強轉(zhuǎn)換型正極材料(CTAM)，以提高鋰離子電池的能量密度。主要包括使用低維納米結(jié)構(gòu)、分層多孔納米結(jié)構(gòu)、空心結(jié)構(gòu)和與各種碳質(zhì)材料的雜交。

 

 

3、利用核心雙殼電極促進柔性鋰離子電池的高重量能量密度

 

 

雖然已報道的柔性材料具有優(yōu)異的特性，但是它們主要的問題是機械穩(wěn)定性程度。盡管碳纖維布(CC)的優(yōu)異機械穩(wěn)定性可以解決該問題，但CC仍然受到低表面積、更大重量和低存儲容量的限制。正如Tong課題組所報道的在柔性CC核-殼陽極(CC@EC)上生長NiCo2O4納米線(NCO NWs)來設(shè)計單片核-雙殼(CDS@NCO CDS)。CC@EC@ NCO CDS電極顯示出優(yōu)于原始CC涂層NCO (CC@NCO)的鋰儲存性能。

 

 

 

 

 

4、穩(wěn)定性研究

 

 

例如，Shi 和Koratka課題組利用范德瓦爾滑動界面提高鋰離子電池中硅膜陽極的電化學(xué)穩(wěn)定性。即通過在Si膜和集電器之間設(shè)計范德華“光滑”界面獲得更好的電化學(xué)穩(wěn)定性。簡單地將石墨烯片涂覆在集電器表面來實現(xiàn)。形成的界面，Si膜在鋰化/脫鋰的作用下相對于集電器滑動，同時保持與集電器的電接觸。電化學(xué)測試證實了沉積在石墨烯涂覆的鎳（光滑界面）上的Si膜的更穩(wěn)定的性能和更高的庫侖效率。

 

 

5、安全性模型研究

 

 

電池能量密度的快速增長，伴隨著鋰離子電池成本的大幅降低，卻帶來了安全問題。雖然電動汽車電池組中儲存的能量越多，行駛的里程越長，但由于電池會發(fā)生爆炸，導(dǎo)致事故將更加嚴(yán)重。因此，鋰離子電池的安全性問題也越發(fā)受到重視、                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       1990年代に