结论 25

致谢 26

参考文献 27

1 绪论

1.1 引言

经济飞速发展的同时，石油资源日趋短缺，环境问题也越来越突出，研究并开发清洁能源和新型动力电池势在必行。锂离子电池作为主要绿色能源之一，具有高能量密度、高比容量、循环稳定性、无污染等的特点，占据了95%的二次电池市场。

与正极材料一样，负极材料在锂离子电池的发展中也至关重要。目前，商业化锂离子电池的负极材料主要为石墨，传统石墨负极容量较低，理论比容量仅为372mAh.g-1，不能满足日趋增长的高容量需求[1]。低容量意味着电池中需要更多的活性物质，不仅增加成本，也造成了电池整体能量密度的降低。因此，研究新型负极材料来替代石墨材料具有长远意义。过渡金属氧化物比容量高，尤其是Co3O4，每个单胞可以容纳8个锂，理论比容量高达890mAh.g-1[2]。而且电化学性能稳定，易于合成，是动力锂离子电池理想的负极材料之一。

1.2 锂离子电池概述

1.2.1 锂离子电池的组成

锂离子电池是一种新型的可充电电池，因其高的面积能量密度和功率密度，被认为是理想的储能媒介，在国防、电动车、电子领域等展示了广阔的应用前景。

锂离子电池主要由正极、负极、电解质和隔膜四部分组成[3]。正极材料一般是含锂过渡金属氧化物，如LiCoO2[4]、LiFePO[5]等。负极材料繁多，根据反应机理的不同，主要有嵌入式反应电极、合金化反应电极、可逆转化反应电极和其他类电极[6]。在可逆转化反应电极中，过渡金属氧化物如SnO2等都展现了优良的电化学性能。常用的电解质是LiPF6，液态电解质存在易燃、易爆等安全问题，目前正朝着固态电解质发展。隔膜的存在可以避免两极活性材料直接接触而造成的电池短路。

1.2.2 锂离子电池工作原理

锂离子电池的充放电实质上是通过Li+在正、负极间可逆的嵌入与脱出实现的。对电池充电时，Li+从正极材料的晶格中脱出，经电解质和隔膜迁移到达负极，而后Li+捕获一个电子被还原成Li嵌入到负极材料的结构中，此时负极处于富锂状态；放电时，负极的锂失去一个电子变为Li+，通过电解液、隔膜迁移至正极并嵌入正极材料的晶格中，实现一次完整的充放电[13]。

1.2.3 锂离子电池的特点

锂离子电池的发展提高了电池的安全可靠性，相较于传统的铅酸电池、锌锰电池，锂离子电池展现了其独特的优势，主要表现在以下几个方面[14]：

（1）比能量高，它的质量比能量可达到120-200W.h/kg，体积比能量在300W.h/L，因此可实现较长的续航时间。

（2）放电电压高，一般而言，电压平台在3.2-4.2V。

（3）循环寿命长，充放电循环可达几千次。

（4）安全性能好，用碳材料代替锂负极，减少枝晶形成带来的短路问题。

（5）无记忆效应，可随时充电而不影响电池使用寿命。

（6）自放电低，常温下，月自放电率仅5%，闲置时容量损失小。然而，锂离子电池也存在着一些缺陷与不足：

（1）功率密度较低，不能实现快速充放电。目前主要从活性材料的微观形貌着手，将其纳米化，尽量减小锂离子的扩散路径，加快电化学反应的动力学，从而提高充放电速率。