【新材料研发热点抢先看（七）】锂电池如何提高能量密度？
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高能量密度的电极活性材料是提高电芯能量密度的关键。提高锂离子电池能量密度的途径主要包括开发高比容量正负极材料和高放电电压平台正极材料。目前，常见的商业化锂离子电池正极材料有钴酸锂、磷酸亚铁锂、锰酸锂、钴镍锰酸锂等；负极材料主要有改性天然石墨、人造石墨等。但目前的正、负极材料难于满足像电动汽车、混合电动汽车、智能电网等大型耗电机器、设备的高能量密度动力装置要求。因此，开发高电压、高比容量的正极材料；稳定性好、比容量高的负极材料体系，是未来锂电池发展的趋势。
正极材料是关键所在
目前的锂离子电池中，负极材料的比容量远高于正极材料，因此选择高能量密度正极材料是提高锂离子电池能量密度的关键所在。满足高能量密度的正极材料要有高比容量和高电压平台。
——多电子反应正极材料
常见的LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等正极材料，其锂离子嵌脱过程均为单电子反应过程，理论比容量不高。提高正极材料的能量密度需要考虑多电子转移反应材料。多电子反应材料有Li3V2(PO4)3、Li2MSiO4(M=Fe、Mn)、Li2CoPO4F等。单斜晶系Li3V2(PO4)3晶格中的3个Li+ 都能够可逆的嵌脱，对应的理论比容量为197mAh/g。其主要缺点是电子电导率低，影响容量的发挥，可通过包覆进行改性提高容量。
——富锂层状结构正极材料
近年来，富锂正极材料ｘLi2MnO3(1-x)LiMO2（M=Co，Fe，Ni1/2Mn1/2等过渡金属）成为备受关注的新型高容量正极材料。该材料能利用的比容量超过200 mAh/g。但缺陷是首次不可逆容量损失较大；而且合成条件严重影响到材料的结构，因电化学性能优劣与材料结构的关联性很强。
——高电压锂离子电池正极材料
橄榄石型LiCoPO4、LiNiPO4相对于锂电极电势分别为4.8V、5.2V。然而，晶体中的Li+ 只在１维通道传递，导致其电导率较低；另外与之匹配的耐高电压电解液仍在开发，这都限制了LiMPO4（M=Co，Ni）材料的应用。日本东京工业大学联合喷雾热解和湿法研磨，制备组装成Li|1mol/LiPF6EC:DMC(1:1)︱LiCoPO4/C电池，经电化学测试，喷雾热解温度为300℃制备的材料性能最佳，主要是由于该条件得到的材料粒径最小、比表面积最大、碳包覆效果最好。
新一代负极材料
相对石墨类负极材料而言，硬碳、硅基、锡基、过渡金属氧化物等新型负极材料具有更高的嵌脱锂容量，成为新一代负极材料。
——硬碳负极材料
硬碳材料常由酚醛树脂、蔗糖、环氧树脂、聚糠醇PFA-C、PVC、PFC等高分子聚合物的热解得到。研究发现，在1100℃、氩气保护热解酚醛树脂制备硬碳，首次放电比容量比石墨的理论比容量高40％；用蔗糖制的多孔性硬碳负极材料，具有高的可逆比容量和高倍率性能，原因在于高的比表面积和恰当的多孔结构，能增加储存锂容量和进行快速嵌入和脱出。
——硅基负极材料
硅具有高的理论容量和较低的嵌锂电位，但是硅的导电性差、与锂合金化过程中严重的体积效应。可通过复合化、纳米化、合金化等多种途径进行改善。在常见的硅－碳复合负极材料中。硅作为活性物质，用于嵌锂。同时利用碳的弹性结构，缓冲嵌脱锂时的体积变化。
——锡基负极材料
锡基负极材料包括锡基氧化物、锡盐、锡基合金等。锡基材料理论容量较高、导电率高、对环境敏感度较低，但有体积效应缺陷。Sn基合金（合金化金属有Sb、Cu、Fe等）可以缓冲锂嵌入脱出时的巨大体积变化，维持材料结构的稳定性。
——其他金属氧化物
目前，不少研究者选择过渡金属（Mn、Fe、Ni等）氧化物作为锂离子电池的负极材料，主要是利用其低维度、多孔性结构特点，实现锂离子的快速迁移。
研究开发新型高比容量和宽工作电压口径的电极材料是提高电芯能量密度的有效途径。高电压、高比容量的正极材料可通过离子掺杂、包覆、纳米化、负载于碳纳米材料等方式，在满足高能量密度的同时，保证循环稳定、倍率良好。具有大容量的硬碳、硅系、锡系、过渡金属氧化物负极材料，可通过纳米化、复合改性、表面修饰、掺杂等措施提高电化学稳定性、使用安全性。随着科研的深入，工艺的成熟，高能量密度的材料可实现在锂离子电池体系中的商业化应用。
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