1  引言

进入21世纪以来，能源匮乏和环境污染这两大问题越来越突出，并且由于过度使用化石能源而导致的温室效应也日趋严重。因此，对于新型清洁能源的开发与应用已经迫在眉睫，太阳能、地热能、风能、潮汐能等新型能源陆续得到利用。但是，由于受到自然条件的约束，这些自然能源存存在着不稳定性与不连续性的致命缺点，使得其利用无法获得大规模发展[1]，因而开发锂离子电池[2]、燃料电池[3]、超级电容器[4]等性能优良的储能与转换装置成为研究工作的重点，其中锂离子电池由于其高能量密度、长寿命、稳定性以及安全性受到越来越多的关注。

1。1  锂离子电池

图1。1  不同电池的体积能量密度与质量容量密度比较[5]

商业化的锂离子电池由于高的能量密度、长的循环寿命以及环境友好型的优异特点，一直受到人们的关注。在其发展过程中，锂离子电池的应用也不仅仅局限于便携的小型的电子设备，越来越多的应用到大功率器件中[6]，在混合动力汽车、电动汽车中具有很大的发展空间和应用前景。同时随着能源格局的变化，越来越多的向清洁、可持续以及高效的趋势发展，这也促使锂离子电池的发展在更多的领域不断取代传统的镍镉电池和铅酸蓄电池等传统电池。另外，锂离子电池的发展也并且在各个方面不断取代铅酸蓄电池、镍镉电池等传统电池。进入新世纪以来，能源需求正在向清洁化、多元化和高效化的趋势发展。因此，锂离子电池的发展趋势则是高理论容量能量、高能量密度、长循环寿命和高安全性等。论文网

锂离子电池的主要组成部分有：正极、负极、电解液和隔膜，每个部分对锂离子电池的性能都起到了决定性的影响。

图1。2  锂离子电池内部结构示意图

对于正极材料而言多是层状结构或尖晶石结构，目前应用较多为钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、磷酸亚铁锂（LiFePO4）以及镍酸锂（LiNiO2）等。其中，LiCoO2是最早商品化的锂离子电池正极材料，至今仍在锂离子电池正极材料中占据主体地位。LiCoO2工作电压高，循环性能好，理论比容量为274 mAh g-1，但实际应用时比容量只能达到理论值的50%左右[7]。因为LiCoO2地球储量稀少，价格昂贵，而且钴元素对环境有一定污染，近年来科研人员一直在寻找可以取代LiCoO2的正极材料。1997 年，研究人员首次发现聚阴离子化合物LiFePO4具有储锂特性以及很高的安全性能，而且其理论容量为170 mAh g-1，可以满足一般情况下正极的容量要求[8]。近年来，正极材料的研究方兴未艾，具有巨大的研究潜力。

锂离子电池的负极材料主要有碳基材料、硅基材料、合金化合物以及过渡金属氧化物等。负极材料要求具有以下性能[9-10]：（1）在负极材料中大量的Li+能够可逆地进行嵌入/脱嵌，以得到较高的能量密度；（2）在整个嵌入/脱嵌过程中，主体结构没有或很少发生变化，以确保材料的循环寿命；（3）具有良好的表面结构，能够与液体电解质形成性质稳定的固体电解质膜（SEI，solid electrolyte interface）；（4）在整个电压范围内保持其化学稳定性，并在形成SEI膜后不与电解质等发生反应；（5）负极材料应具有一定的导电性，以便于快速进行充放电过程。石墨材料导电性好，具有良好的层状结构，理论容量可达 372 mAh g-1，库伦效率在90%以上。若以LiC6取代金属锂作为负极材料，能够在很大程度上减少金属锂的沉积，抑制不规则锂枝晶的生长，同时降低电池短路和过热现象的发生概率[11]。