图1-1锂离子电池电极材料的电位和电容

锂离子电池的正极材料一般选择嵌锂过渡金属氧化物且要求电势相对于金属锂较高并在空气中能够稳定存在，它的主要作用是作为整个电池电路的锂离子来源。所以我们现阶段使用的锂离子电池的正极材料主要是一些Li的过渡金属氧化物，常见的有：锂钴氧化物（LiCoO2），锂镍氧化物（LiNiO2），锂铁氧化物（LiFeO4），锂锰氧化物（LiMnO2）和锂钒氧化物。

为了成功实现锂离子电池的循环充放电，锂离子电池的负极材料一般选择可反复脱出和嵌入锂的物质并且要求其电势接近金属锂。负极材料一般被分为含碳和非碳类材料，其中含碳类材料包含碳类材料和含碳化合物材料，碳类材料有石墨和硬碳等，含碳化合物有（B-N-C）化合物和（C-Si-O）化合物等，非碳类材料有锡基材料、过渡金属氧化物、钛基材料等。当前在锂离子电池中广泛使用的负极材料是碳材料，碳材料具有化学性能稳定、成本低、循环性质好、结构稳定等优点。按照石墨化水平的不同，通常将碳材料分成软碳、硬碳和石墨。软碳材料主要代表有碳纤维、碳微球、针状焦等；硬碳材料是指高分子聚合物热解型碳，一般包含树脂碳、有机聚合物热解碳以及碳黑，硬碳即便升温至2500℃也很难实现石墨化；石墨包括天然石墨、人造石墨、石墨碳纤维等，其中天然石墨分为无定形土状石墨和高度结晶鳞片石墨两种，无定形土状石墨无法作为电池的负极材料，高度结晶鳞片石墨要采用对结构的改造或对表面的变性处理才可以被应用。石墨的结构决定了具有它较高的充放电性能、可逆容量以及工作电压等优点。在以石墨碳为负极材料的锂离子电池中，锂离子从正极材料中脱出并进入石墨层间而产生锂-石墨层间化合物（Li-GIC）[6]。这些锂离子都处在相同构型的晶格点上，这是因为电荷的存在会使锂离子之间产生排斥作用。如图1-2所示，每六个碳原子之间嵌入一个锂原子[7]，这就是锂离子在石墨中达到饱和的情况。

图1-2锂离子嵌入石墨的平面构造图

石墨受其结构的影响也存在着一些不可忽略的缺点：

（1）当放电时，电解质或有机溶剂化学反应能够于负极材料表面生成一层固体电解质界面（SEI）膜[8]。这是一层绝缘膜，锂离子可以自由的穿过，所以在第一次充放电时在负极材料表面上存在的SEI膜会导致15%-20%的损失，并且这些损失不可逆，即无法在下次充放电时恢复。

（2）石墨的层状结构使得它对进入其中的锂离子有着非常强的方向性。在电流很大的情况下，此类锂离子电池的充放电性能并不是十分理想。我们要避免在大电流的情况下充电。

（3）石墨层与层之间是以较弱的范德华力作用的，并且它的层间距较大，同时石墨材料对电解液敏感，所以它与电解液的相容性差，当充电和放电时会很容易地与溶剂大分子共插到石墨层之间。有机溶剂插入到石墨层之间而被还原，从而产生大量的气体，使本就间距很大的石墨层直接分离，造成SEI膜的重复的破坏和生成，使得石墨与锂离子之间丧失接触点[9]。

（4）由于石墨和锂的电位十分的接近，所以当电池过充时在碳极材料的表面仍然可能会有枝晶锂的出现，同时穿薄膜造成电池短路，在高温下还可能有失控的情况出现。

（5）锂离子在石墨中的运动速度很慢，仅有16.7KJ/mol。当电流过大时，它的充放电性能并不理想，也因此满足不了动力电源对于功率特性的要求。

一般常见的含碳化合物类负极材料有B-C-N系化合物和C-Si-O系化合物等。B-C-N系化合物的结构和石墨的结构非常相似也是层状结构，所以这类化合物也被称为类石墨材料，它可通过B、N或者一些其它的化合物与碳素材料的先驱体通过气相或固相反应来合成。和一般所说的掺杂不同，这类非金属元素在含量上和碳的含量是在一个数量级上的。