一、鋰離子電池陽極材料

早期陽極材料是直接采用金屬鋰，但在充放電過程中會出現枝晶鋰會刺破隔膜而導致短路、漏電甚至發生爆炸。采用鋁鋰合金可解決枝晶鋰的問題，但循環幾次后會出現嚴重的體積膨脹以至粉末化。搖椅電池概念的提出解決了此問題，它利用具有層狀結構的非金屬材料如石墨存貯鋰以防止枝晶鋰的出現，從而大大提高電池使用安全性。

目前，具有實用價值或應用前景的鋰離子電池陽極材料的研究重要集中在四個方面：（1）碳材料；（2）金屬氧化物；（3）金屬氮化物；（4）納米硅。而現在能夠作為商品化鋰離子電池陽極材料廣泛使用的暫時只有碳材料。選擇碳材料作為電池的陽極，和如今鋰離子電池的高性能陰極材料LiCoO2，LilNiO2，含錳化合物相適應，這些材料的熱力學穩定形態是放電狀態的形態，材料制備出來是放電形態，這樣在電池生產過程中陰陽極材料都是處于放電狀態，電池要通過初次充放電得到活化。

（一）碳材料

在石墨中層與層之間靠的是分子間弱相互用途力，有利于鋰嵌入與脫嵌。鋰插入到碳層中會形成嵌鋰石墨化合物，最大理論容量達372mAh.g1。碳材料可分為天然碳材料和人工材料。天然石墨材料的石墨化程度高、結晶完整、嵌入位置多、容量大，但對電解液比較敏感，循環穩定性較差。人工碳材料包括軟碳材料和硬碳材料。軟碳材料可石墨化，存在一定雜質，難以制備高純度，但具有資源豐富、價格低廉。硬碳材料為各種高分子聚合物經高溫熱解所得，不易石墨化，具有高無序不規則結構，容量很高達1000mAh.gl以上。但在硬碳材料中存在較大的不可逆容量。

在碳材料中摻入鉀、硼以及碳纖維表面上鍍上一層Ag，Zn，Sn能夠有效的提高材料的容量及充放電效率。

（二）金屬氧化物

為了解決金屬粉末化問題，Idota提出使用金屬氧化物如SnO2而不是純金屬作為陽極材料。在插鋰過程中首先經歷不可逆反應即SnO2+4Li=Sn+2Lo，所生成的納米單質錫均勻分散在由氧化鋰所形成的晶格中。然后繼續嵌入的鋰與錫形成鋰錫合金Sn+4.4Li=Lg4Sn，這一過程為可逆過程，即鋰可在鋰錫合金中進行可逆嵌脫。

LaTisO12在鋰嵌脫時LiTisO12+3LiLiTis012晶格體積基本沒變，材料循環穩定性好。金屬氧化物Mo（M=Co，Cu，Ni，Fe等）納米材料在循環100次后容量仍然能保持在700mAh.g1。此外其它金屬氧化物如InVO4.FeVO4，MnV206，TiO2也具有較大的貯鋰能力，但不可逆容量較大。

（三）金屬氮化物

最近人們發現一些過渡金屬氮化物Li3.xMsN（M:Co，Ni，Cu）具有很好的電化學穩定性能和很高的可逆存量，充放電容量可達760mAh.glL2.6CooN容量可高達900mAh.g1并可用來改善SnO的電化學性能。由于SnO首次不可逆容量過高而限制了它的應用，與L2.6Coo4N復合可有效地降低Sno過高的首次不可逆容量以改善材料的循環性能。對嵌鋰機能研究發現在首次脫鋰后材料會由六方相向無定形相轉化，而無定形相可以嵌入大量的鋰離子。

（四）納米硅

納米硅也具有很高的貯鋰容量，也是目前的一研究熱點。把納米Si均勻分散在電化學惰性TiN晶格中以及把硅沉積在多孔鎳基底上制成的薄膜硅均可獲得較高容量。利用化學蒸氣沉積法在碳材料中復合進去一些納米硅，材料的容量可明顯提高，而用碳包覆硅容量可達1200mAh.gl。

二、鋰離子電池陰極材料

（一）LiCoO2目前市場上鋰離子電池產品陰極材料重要是采用LiCoO2，因其制作工藝簡單，材料穩定性能好，循環次數可達千次以上。但LiCoO2存在著許多缺點：價格昂貴，對環境有污染，安全性能不好，比能量偏低，約140mAh.g1。用Ni或Mn部分替代Co一方面可降低成本，減少污染，還可以提高材料的可逆容量和循環穩定性能。

（二）LiNiO2

LiNiO2也具有層狀結構，可逆容量可達200mAh.g1。但在制備LiNiO2過程中，容易出現富鎳，非化學計量比材料LiNi+sO2。由于鋰鎳容易出現位錯而影響材料的容量和循環穩定性能，特別是其高氧化態以及熱穩定性能都很差。用其它金屬元素如Co、Al、Ga、Ti、Mg、Mn等部分替代Ni能有效的改善材料的電化學穩定性能。

混合摻雜能更好地提高材料的電化學穩定性能。

（三）含錳化合物

錳的資源十分豐富，含錳材料價格很低又無環境污染，作為陰極材料很理想。

具有尖晶石結構的LiMn204受到人們極大的關注，研究較成熟有望商品化。但其存在著循環性能差，容量偏低（理論容量為148mAh.g1）等缺點。造成LiMn204循環穩定性差的原因有錳在電解液中的溶解以及結構穩定性較差的四方相L2Mn2O4的形成，充放電過程中出現顆粒細化及結晶性能變差等。通過摻雜引入Cr、Ni、Co、A1、Li等低價金屬元素部分替代Mn，可提高材料的循環穩定性，降低鋰離子在材料中遷移內電阻Rct以及增大離子擴散系數從而提高材料的循環穩定性能。如富鋰尖晶石相材料LiMn2O4循環2500次后容量依然能保持在初始容量的70%以上。但摻雜會降低材料的質量比容量，因此摻雜不易過多。摻雜F元素以部分替代0合成LiMn2O4xFy和LiAkMmxO4yFx可新增Mn2+的含量從而提高材料的可逆容量。此外對LiMn2O4進行表面包覆和表面修飾能有效地減少錳在電解液中的溶解，提高材料的電化學性能。具有層狀結構的LiMnO2具有較高的理論容量達285mAh.g1，引起人們的極大興趣，但其穩定性很差，研究較不成熟。

（四）含鐵化合物

由于鐵的資源十分豐富不存在污染問題，因此含鐵化合物作為陰極材料也引起人們的重視。L正eO2具有很高的初始容量，但當鐵處于高氧化態Fe+下會與電解質發生氧化還原反應。Li正eO4實際容量可達理論容量170mAh.gl的90%，單導電性很差，制備工藝較復雜，鐵價態較難控制往往要在氬氣氣氛中和成。與其具有類似結構Li正exO4（x=si，Ge）也引起人們極大關注。Licht等人報道用高鐵酸鹽如LoFeO4作為陰極材料具有很高的容量。

此外V20特別是具有納米孔狀V205具有很高的貯鋰容量達400mAh.gl，也是一個新的研究方向，但其對環境污染較大。

目前已廣泛應用和正在進行開發研究的陰極材料有以上四種。其充放電過程可表示為：XA+My=AxMy

作為一種理想的陰極材料，所必須具備的是：

（1）大的吉氏自由能，以便同陽極之間保持一個較大的電位差，供應高的電池電壓（高比功率）。

（2）在x范圍內，鋰離子嵌入反應的吉氏自由能改變量小，即鋰離子嵌入量大且電極電位對嵌入量的依賴性小，以確保鋰離子電池工作電壓穩定。

（3）廣闊的x的范圍，供應高的電池容量。

（4）陰極材料需具有大孔徑隧道結構。

（5）鋰離子在“隧道”中有較大的擴散系數和離子淌度，保證大的擴散速率，并具有良好的電子導電性，以便提高鋰離子電池的最大工作電流。

（6）具有大量的界面結構和表觀結構，有利于新增嵌鋰容量。

（7）陰極材料具有較小的改性，以保證良好的可逆性，使可循環次數提高。

在電解質溶液中溶解性很低。

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