鋰離子電池已是現(xiàn)代高性能電池的代表，應用最為廣泛，其主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。而今消費電子和動力電池對能量密度提升的需求，推動著正極材料不斷進步——通常，人們采用的是鋰、氧和一種過渡金屬的化合物為電池正極，這其中，正是過渡金屬負責儲存和釋放電能，其性質也是電池容量的關鍵。

 

現(xiàn)階段最常用的過渡金屬是鈷，而此前科學家研究發(fā)現(xiàn)，如果用鎂取代鈷，可以在提高容量的同時降低成本，但鎂也有一定缺陷——電池性能退化太快，僅兩輪充放電后就出現(xiàn)大幅下降。

 

據(jù)美國西北大學官方網(wǎng)站介紹，此次團隊研發(fā)的新材料是摻有鉻和釩元素的鋰鎂氧化物，其用作鋰離子電池的正極，電池容量出現(xiàn)了大幅提高，同時兼具性能穩(wěn)定、不會迅速退化的優(yōu)點。

 

西北大學研究小組先是為鋰鎂氧化物材料建立了一個結構模型。該模型詳細到了單個原子，團隊借此分析了全部充放電過程，發(fā)現(xiàn)其中的氧也會參與存儲電能，因而容量比以往要大。

 

隨后，研究人員嘗試了將不同元素摻入鋰鎂氧化物的方案，以期計算出不同混合物各自的儲能效果。最終他們發(fā)現(xiàn)，摻入鉻和釩能在保持電池大容量的同時實現(xiàn)最穩(wěn)定性能。鋰離子電池是一種可充電二次電池，主要由正極、負極、電解液、隔膜和集流體等主要5部分組成。正負極材料主要功能是使鋰離子較自由的脫出/嵌入，從而實現(xiàn)充放電功能。鋰離子電池工作原理如下圖1所示,充電過程中，鋰離子從正極材料中脫出，經過電解液嵌入到對應的負極材料中，同時電子從正極流出經過外電路流向負極;鋰電池放電時，鋰離子從負極脫出，經過電解液重新嵌入到正極材料中，同時電子經過外電路從負極流向正極。因而鋰電池的充放電過程本質就是鋰離子在正負極之間的脫鋰和嵌鋰的過程。在理想狀態(tài)下，認為在正負極材料之間的脫鋰和嵌鋰過程不會引起正負極材料結構的損壞，可以視作是充放電過程可逆。

 

鋰電池優(yōu)點如下：能量密度大，可達120～260Wh/kg;工作電壓高，3.6～3.7V;自放電率低，年自放電低于10%;無記憶效應，可以隨時充、放電;使用壽命長，超過1 000次，可達2 000次;綠色環(huán)保，不含鎘、鉛、汞等重金屬。

 

二、負極材料

 

鋰電池負極材料目前處于鋰離子電池產業(yè)中最關鍵的環(huán)節(jié)。按鋰離子電池成本比例，負極材料占比鋰電池總成本的25%～28%。相對于鋰電池正極材料，負極材料的研究方興未艾。較為理想的負極材料最少要具備以下7點條件：化學電位較低，與正極材料形成較大的電勢差，從而得到高功率電池;應具備較高的循環(huán)比容量;在負極材料中Li+應該容易嵌入和脫出，具有較高的庫倫效率，以至于在Li+脫嵌過程中可以有較穩(wěn)定的充放電電壓;有良好的電子電導率和離子電導率;有良好的穩(wěn)定性，對電解質有一定的兼容性;對于材料的來源應該資源豐富，價格低廉，制造工藝簡單;安全、綠色無污染。

符合以上各個條件的負極材料目前基本不存在，因此研究能量密度高，安全性能好，價格便宜，材料易得的新型負極材料成為當務之急，這也是現(xiàn)階段鋰電池研究領域的熱門課題?，F(xiàn)階段，鋰離子電池負極材料主要有碳材料、過渡金屬的氧化物、合金材料、硅材料及其他含硅材料，含鋰的過渡金屬的氮化物以及鈦酸鋰材料。各種材料的比容量和性質又各不相同，