读书，科研没用？看科研人员解决了锂电池什么问题

撰文：王绍雨

责编：陈昌磊

所属板块：研之成理新闻部

随着全球能源需求的持续增长，社会的快速发展，可再生能源和存储先进材料的发展对可持未来的发展十分重要，同样，高效的能源存储方式变得尤为关键。电化学储能器件（如锂离子电池、锂硫电池、电化学电容器等）是一种典型高效储能系统。在我们现实生活中应用广泛，息息相关。而锂电池就是其中一种，锂电池，是一种二次电池（充电电池），具有高能量密度，无记忆效应，循环寿命长，无污染，重量轻等优点。应用在手机、平板、移动电源，电动车，以及有前景的新能源汽车等方面。

锂电池主要组成成分有：正极材料，负极材料，电解液，还有隔膜。

 

一、正极材料

正极是锂离子和电子的中转中心，很容易发生相变。另一方面，在深度充电情况下，电极-电解质界面发生的副反应往往会使电极结构变得不稳定。是一种具有可逆可逆地插入及脱出锂离子能力的嵌锂化合物，在锂电池中占有较大比例，性能直接影响着电池的性能，成本也也直接决定电池的成本。

锂电池正极材料的要求：

锂电池的正极材料分类：

正极材料是锂离子电池最为关键的原材料，不同的正极材料性能各有利弊，根据不同产品的需求，选择的正极材料品种不尽相同。消费类电子产品领域锂离子电池正极材料的性能需求侧重锂离子电池能量密度和安全性，钴酸锂为目前消费类电子产品锂离子电池主要的正极材料；动力电池正极材料的性能需求为高电压、高能量、高功率和宽温度范围，磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料是目前动力锂离子电池正极材料的主要原材料，其中三元材料是未来动力电池正极材料的趋势；在动力电池方面，钛酸锂是新的发展方向。

二、负极材料

负极材料的工作往往依赖于有效的异质结构钝化层，温度升高将使得钝化结构破坏，并引发副反应；而温度降低又将降低锂离子的透过性。

 

锂电池的负极材料分类：

负极材料主要以碳素材料为主，石墨类负极材料在负极材料中处于绝对主流的优势。常规石墨负极材料的倍率性能已经难以满足锂离子电池下游产品的需求。在消费类电子产品方面，需要提高电池的能量密度，以硅-碳(Si-C)复合材料为代表的新型高容量负极材料是未来发展趋势。

三、电解液

电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、必要的添加剂等原料组成，在一定条件下，按一定比例配制而成的，其中电解质在电解液成本中比重最大，也是电解液中技术壁垒最高的环节，六氟磷酸锂是目前市场上主要的锂离子电池电解质。高电压、宽温度范围、安全性是未来电解液的发展趋势。

 

四、锂电池发展存在的问题

1.体积膨胀

锂电池在日常生活中的应用，常常会遇到电池体积膨胀变形的问题，从而阻碍我们的正常使用。硅基材料具有较高的容量和低放电电位的特点，硅在嵌锂之后会产生巨大的体积膨胀（~300%），从而导致其结构破坏，形成连续不稳定的固体电解质界面（SEI）。

为了解决这些问题，科研人员对具有新型结构的硅基材料进行了大量的研究，包括纳米结构的硅和硅/碳复合材料。然而，减小硅颗粒尺寸对性能的改善程度有限，硅表面暴露于电解液中仍会造成较低的库伦效率和容量衰减。目前，碳包覆纳米硅被认为是提高硅基负极电化学性能的最有效策略之一。一方面，碳壳提供了体积变化的空间；另一方面，碳壳表面形成稳定的SEI膜，有利于库伦效率的提高和容量的保持。

近期，华东理工大学龙东辉教授和美国加州大学河滨分校郭居晨教授运用硬模板法和软模板法得到了一种新型碳/硅复合材料。表现出了良好的循环稳定性和倍率性能，大大提高了电极放电容量。

同样，最近韩国的科研人员有了新发现，提出了“分子滑轮”（PR-PAA）理论解决锂电池膨胀问题。韩国高等科技学院的Ali Coskun和Jang Wook Choi等人发现了一种高弹性粘结剂，以线性PAA聚合物框架和环状多聚糖共价成键，然后由PEG链贯穿环中。“分子滑轮”中的一部分环有很强的胶粘特性，一部分环有特殊的自由滑动特性。两种特性的有机结合，使粘结剂弹性得到大幅提高，可承受硅负极的体积膨胀的收缩变化，释放所产生的应力，在充放电过程中不至于发生破裂，稳定性得到增强。

分子滑轮结构和应力释放机理

 

2. 钝化和腐蚀

锂金属活性十分高且暴露在电解质中或空气中会重复损耗，发生钝化和腐蚀行为。斯坦福大学崔屹教授崔屹直接在TEM环境中制备纯锂金属，观察锂金属在O2、N2水蒸汽中的纳米级钝化和腐蚀过程，发现当在干燥O2和N2中在金属锂上形成规则的钝化层，微量的水破坏了钝化并且形成多孔薄膜允许气体渗入并持续和锂金属反应。为了探索锂金属在干燥气氛下的自钝化行为，引入了一种简单的锂金属预处理，以形成氮化锂保护层，快的离子导电率和稳定的氮化锂界面可以提高电池的性能，在循环到过程中无枝晶产生且具有低的电压迟滞。使得锂电池的钝化和腐蚀有一定改善。

 

随着科技的进步，科研技术的提高，锂电池会发展越来越好，所面临的问题会慢慢得到解决，而这需要科研人员日以继夜的努力。

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