能源是世界经济发展的支柱，也是人类生存与进步的动力基础。目前，在传统能源日渐枯竭与环境保护日益强化的双重压力下，能源储存和使用的方式正发生巨大变革，发展可再生能源电动车辆替代传统能源汽车迫在眉睫，电动车辆对高性能储能系统也提出了技术要求。金属锂非常活泼，能与许多物质发生反应，但锂金属电池在充电过程中易形成枝晶，并刺破隔膜，导致电池内部短路造成事故。为了克服锂金属电池因活泼性而引起的安全性和循环性差的缺点，人们用嵌锂化合物代替金属锂作为电极，相对于金属锂，锂离子电池避免了枝晶的生长，提高了安全性。同时，锂离子电池具有工作电压高、应用温度范围宽、自放电率低、环境污染轻等优异的性能，并兼具长寿命、高能量密度与高功率密度的优点，因此，锂离子电池在电动车辆储能领域取得了迅猛的发展，并具有广阔应用前景。从比容量、嵌锂电位、循环性能及成本等方面综合考虑，锂离子电池被确定为目前电动车辆的主要动力能源。但发展可再生能源汽车要特别考虑续航问题，续航里程一直是电动车辆面临的挑战。电动车辆在全世界迅猛发展，迫切需求更大能量/功率密度、更长寿命、更高安全性和更低价格的动力能源电池。如何进一步提升锂离子电池能量密度、循环寿命与安全性能等，是全球能源学术界与工业界面临的巨大挑战。锂离子电池能量密度存在很大的提升空间。例如，将传统磷酸铁锂电池改性和包覆，设计新能源结构体系，并加入新掺杂元素，如图4-1所示，就可形成较高能量密度的锂离子电池，将原来磷酸铁锂电池能量密度提升超过60%，这意味着改性后的锂离子电池将提升电动车辆的续航里程，在新能源车市场极具竞争力。

图4-1 各种动力电池的电压与电位示意图

如何在拥有高能量密度的同时，兼备高功率密度与高循环稳定性是锂离子电池发展的关键技术。电极是锂离子电池的能量储存的核心系统，锂离子电池早期用金属锂作为负极，但金属锂负极在长期循环过程中，电极表面会形成锂枝晶而造成安全事故。摇椅式锂离子电池用低嵌锂电位的层间化合物代替金属锂负极，配之以高插锂电位的化合物作为正极，避免金属锂枝晶沉积，提高了安全性。但由于这种电池存在电压低、锂离子在负极中扩散很慢等问题，研发一度陷入瓶颈。这时，碳与硅等材料作为电极基体开始研发，新型纳米硅、碳纳米管与石墨烯等，由于具有一维和二维等特殊纳米储能结构，具备优异的导电性和导热性，在电动车辆锂离子电池应用中显示了巨大潜能。动力能源系统锂离子电池理想电极如图4-2所示，该电极能源系统特性为：锂离子在电极中插入氧化还原电位尽可能低，接近金属锂的电位，使得电池输出电压高；在电极基体中高容量密度锂离子插入和脱插过程应可逆，电极结构如果基本没有变形或变形小，就可确保良好的循环性能和平稳的充放电电压。电极较好的电导率和导热率，可减少极化效应，并能进行大电流充放电。电极表面结构与电解质形成良好的膜，在工作电压范围内具有良好的稳定性，在形成膜后不与电解质发生反应，便于快速冲放电过程。

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图4-2 充放电过程理想锂离子电池电极能源系统设计

在科学层面，锂离子电池物理化学结构上是锂离子动态浓度梯度结构，是具有锂离子浓度差的电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。充电时，锂离子从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时，电子的补偿电荷从外电路供给到负极，保证负极的电荷平衡，放电时则相反，锂离子从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态。在正常充放电情况下，锂离子在球状梯度结构碳/硅材料和纳米能源系统的层间嵌入和脱出，理想状态是，这种动态过程只引起球面间距变化，不破坏电极晶体结构，如图4-3所示。在充放电过程中，电极的结构基本不变。这样，锂离子电池的电极反应才是一种较好的能源动力电池的理想可逆反应。

图4-3 充放电过程锂离子理想动态运行轨迹与过程