鋰離子電池的組成與工作原理分析綜述不可否認，鋰離子電池已在全球各個領(lǐng)域、各個地區(qū)中廣泛應(yīng)用，發(fā)揮著不可替代的作用?！吨袊圃?025》是經(jīng)國務(wù)院總理\t"/item/%E4%B8%AD%E5%9B%BD%E5%88%B6%E9%80%A02025/_blank"李克強簽批，由國務(wù)院于2015年5月印發(fā)的部署全面推進實施制造強國的戰(zhàn)略文件，是中國實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領(lǐng)[11]。2021年1月15日-17日，具有風(fēng)向標意義的中國電動車百人會論壇在北京如期舉行，縱觀此次大會，再次明確了鋰離子電池的未來發(fā)展戰(zhàn)略，其中，2025年和2030年的時間節(jié)點被反復(fù)提及。首先是2025年，其戰(zhàn)略意義為：作為新能源汽車突破的時間轉(zhuǎn)折點；（2）電動車整體的造價低于目前的傳統(tǒng)燃油車；（3）打造更新更智能的開源開放的汽車及汽車操作系統(tǒng)。隨后是2030年，其戰(zhàn)略意義為：（1）我國電動汽車銷量將大幅度增加；（2）新能源發(fā)電占到總發(fā)電量百分之五十左右。因此，發(fā)展鋰離子電池技術(shù)的重要性可見一斑。首先，我們將會簡要介紹鋰離子電池的組成及工作原理。1.1鋰離子電池的組成鋰離子電池由電解液、隔膜、負極以及正極材料四個主要部分組成。除此之外，還存在粘結(jié)劑、集流體等重要組成部分，其中每一個部分都是鋰離子電池的重要組成部分，而負極及正極材料的選擇顯得尤為重要，這是因為正極以及負極材料的特性在很大程度上決定了該鋰離子電池的工作電壓、能量密度等等。石墨是目前商業(yè)化鋰離子電池所用負極材料[12-13]。此外，使用較多的負極材料還包括金屬（例如Li、Al、Mg、Na）、金屬氧化物（例如TiO2、SnO2）、無機非金屬（例如Sn、Si）等等。同樣，目前商業(yè)化鋰離子電池主要使用的正極材料[14-15]為橄欖石結(jié)構(gòu)的化合物(例如LiMPO4(M為Co、Mn、Fe)、三元材料(例如LiNi1/3Co1/3Mn1/3)以及LiCoO2。這幾種材料具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，熱穩(wěn)定以及循環(huán)性能好和安全等優(yōu)點。除了這幾種正極材料外，還包括一些無機非金屬（比如碘和硫）等等。一般來說，理想的正極材料所具備的性質(zhì)如圖1.1所示。圖1.1理想的正極材料性質(zhì)1.2鋰離子電池的工作原理目前學(xué)術(shù)界及企業(yè)界所使用的鋰離子電池工作原理大致相同。即電池在充電過程時，鋰離子從正極脫出，穿過隔膜到達負極，而放電過程與則之相反。這樣循環(huán)往復(fù)的充放電過程，實現(xiàn)了化學(xué)能放電以及電能儲存為化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。我們以商業(yè)化LiCoO2電池為例解釋鋰離子電池的工作原理，其具體的電化學(xué)反應(yīng)如下：負極反應(yīng)：放電時鋰離子脫出，充電時鋰離子嵌入；6C+xLi++xe-?LixC6（1.1）正極反應(yīng)：充電時鋰離子脫出，放電時鋰離子嵌入；LiCoO2?Li1-xCoO2+xLi++xe-（1.2）電池總反應(yīng)：6C+LiCoO2?Li1-xCoO2+LixC6（1.3）圖1.2鋰離子電池工作原理示意圖[16]1.3鋰離子電池的未來發(fā)展趨勢在2020年，比亞迪推出了“刀片電池”，其第一代產(chǎn)品能量密度已達到140Whkg-1。實際上，經(jīng)過過去30年的努力，商業(yè)化鋰離子電池的實際能量密度已經(jīng)由150Whkg?1提升到300Whkg?1，幾乎達到了該電池體系的能量密度極限。因此，為了獲得更高能量密度、更高性能設(shè)備，人們把目光投注到鋰金屬負極上。如果使用鋰金屬負極取代石墨負極，能量密度可以突破至440Whkg-1[17]。然而，該能量密度依舊不能滿足未來發(fā)展的需求，我們迫切需要開發(fā)具有更高容量的正極材料。自上世紀七十年底末，鋰硫電池因為能量密度高達2510Wh·kg-1，得到了研究者們的廣泛關(guān)注。2009年，Nazar等[18]提出介孔碳的多孔結(jié)構(gòu)可以作為活性物質(zhì)