纳米结构材料在锂离子电池中的应用进展

锂离子电池是现代材料电化学学科的一个巨大的成功。相关的科学与技术连篇累牍地见诸于
先前的评论和专著中，有兴趣的读者可以从中得到更多的细节

[1]。锂离子电池由锂离子插

层负极材料（一般为石墨）、锂离子插层正极材料（一般为锂的氧化物如

LiCoO2）及将两

者分离开的锂离子传导电解液（如溶有锂盐

LiPF6 的碳酸乙二酯-碳酸二乙酯有机溶液）等

材料构成。虽然这类电池已被成功地商业化，但现有的电极和电解液材料已达到了性能的极
限。在消费电子，以及清洁能源存储和混合电动交通工具的使用中，新一代可充电锂电池的
研制迫切需要材料技术的进一步突破。其中已在开发中的一种途径是纳米材料在锂离子电池
中的应用。

    

一、电极
 
    锂离子电池纳米电极存在一些潜在的优缺点。
 
    优点：（i）更好地释放锂嵌入和脱嵌过程中的应力，提高循环寿命；（ii）可发生在块
体材料中不可能出现的反应；（

iii）更高的电极/电解液接触面积提高了充/放电速率；

（

iv）短的电子输运路径（允许在低电导或高功率下使用）；（v）短的锂离子传输路径

（允许在低锂离子传导介质或高功率下使用）。
 
    缺点：（i）高比表面积带来的不可预期的电极/电解液反应增加，导致自放电现象，差的
循环性能及寿命；（

ii）劣等的颗粒包装技术使其体积能量密度很低，除非开发出一种特

殊的压缩工艺，否则会限制它的应用；（

iii）电极合成过程可能会更加复杂。

 
    认识了这些优缺点，人们已经加大在负极材料及最近展开的正极材料的研发力度。     

二、负极

     

    储锂金属存在的问题
 
    储锂金属可部分重复地、在低电压（相对于锂）下进行储锂反应，它提供了比传统石墨大
得多的比容量。例如，锂硅合金，饱和状态下的分子式为

Li4.4Si，理论上可以达到

4200mAh/g 的比容量，而金属锂为 3600mAh/g，石墨只有 372mAh/g。但是，锂的嵌入再加
上相变会导致体积发生巨大的变化，产生的应力致使金属电极断裂破碎，电阻增大，存储
电荷的能力骤降。尽管在合金化反应中结构的变化是很正常的，但人们依然努力去降低这一
效应以保持电极的完整性。
 
    活泼/惰性纳米复合（active/inactive composite）概念
 
    该方法包含了两种材料的混合，一种与锂反应，另一种作为惰性的局域缓冲。在这种复合
材料中，活泼相纳米级金属团簇被包裹在惰性非晶相基体中，在嵌锂过程中很好地消除了
产生的内应力，从而提高了合金化反应的可逆性。将这一概念应用到不同的体系中，结果显
示这些电极极大地提高了锂电池的循环性能。