目前，锂离子电池负极材料的研究主要集中在化合物的纳米级合成（缩短Li ⁺离子的扩散距离），同时关注粒径与比表面积的比值在正极材料上落在一个合适的范围内，以确保尽可能高的电极密度[由于颗粒尺寸减小，导致界面相应增加（包括集电器和活性材料之间，以及活性材料和活性材料之间）降低电极密度（高比表面积）；而这恰恰抵消了扩散距离增加和由于粒径减小导致的电导率降低的影响]。  

1、正极材料短期发展

_{Li 4} Ti ₅ O ₁₂的特性 使其作为动力锂电池正极活性材料极具吸引力，尤其是Ti ₄ ⁺ /Ti ₃ ⁺的氧化还原反应电位 较高，约为1.55V/Li ⁺ /Li，大于 Li ⁺ /Li。这种高电位将使电解质不易分解，在还原和氧化（锂脱嵌过程）过程中体积变化更小，电化学可逆性更好，从而实现优异的充放电速率。

在最初的锂嵌入和随后的充放电循环期间，栅极的膨胀或收缩是最小的。事实上，氧化相（即脱锂相 LLi ₄ Ti ₅ O ₁₂ ）和还原相（即锂化相 Li ₇ Ti ₅ O ₁₂ ）的体积几乎相同（ΔV = ±0.07%）。正是由于这个原因，Li ₄ Ti ₅ O ₁₂  被认为是“零应变”材料。因此，在整个充放电循环期间，电极内部之间、电极之间以及隔膜和集电器之间可以保持良好的粘附性。这使电池能够避免可能导致容量和性能降低的裂纹和损坏。该型电池的理论容量密度可达175mA·h/g。

事实上，当电池在低倍率下运行时，其循环后的可恢复容量接近上述值（即175 mA h/g）。通过控制电极材料的制备方法和颗粒形貌，可以获得更好的倍率性能。锂嵌入过程中的电位高于电解液的分解电位，这意味着电极与电解液界面之间无法形成惰性层，从而导致电解液分解。此外，该负极材料具有很强的热稳定性和化学稳定性，可以高速充放电，和/或可以在较低的环境温度下工作。

此外，这些负极材料的嵌入电位比锂沉积电位高，因此在大电流充电条件下不存在内部短路的风险。在此电位下，铝材料可作为负极材料的集电体，比铜材料更轻（铜材料常用作石墨电极的集电体）。但作为负极材料，其较高的电位使得电池无法获得使用石墨电极时的高能量密度。目前，Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ 是一种商业化的零体积膨胀负极材料，用于制备具有高功率特性和快速充电能力的锂离子电池。使用这些阳极材料的电池正在推广用于便携式工具、智能卡或电力驱动系统。

_{然而，Li 4} Ti ₅ O ₁₂锂电池实际可达到的容量  已接近其理论值（175 mA h/g），但仍低于以石墨为负极材料的锂电池（330 mA h/g）。 g)、能量密度的提升空间有限。同样，一些具有特殊结构的TiO ₂ 也可以用作负极材料（尤其是B或H）。这些TiO ₂ 结构的致密性弱于锐钛矿TiO ₂；与目前使用的石墨电极相比，使用此类负极材料具有与使用Li ₄ Ti ₅ O _{12类似的优点} 获得。

然而，这类负极材料的理论容量明显高于锂钛氧化物[TiO ₂ (B)为338 mA h/g，而Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ 只有175 mA h/g]。因此，对于具有低表面容量 (<0.5 mA h/cm2) 的电极，在非常小的充放电速率 (C/100) 下运行时，可实现的最大容量为 260 mA h/g。最近的研究在实际低倍率充放电（C/10）中达到了上述容量值的 60%，而几位作者的最新研究使用 TiO 2 在 10C 高倍率放电下达到了理论容量的 75 _% 纳米线技术。粒径、形貌、比表面积和微观结构将是提高性能的关键因素。

2、正极材料的中期发展

其他正极材料在过去几年也受到了高度关注，包括多种可能的钛氧化物（Li ₄ Ti ₅ O ₁₂、Li ₂ Ti ₃ O ₇、TiO ₂等），它们可以根据需要形成不同的纳米结构。不同的合成条件：纳米粒子（50~100nm）、纳米线等。基于它们的（Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ 或TiO ₂(b)）形貌特征（纳米材料、大比表面积等），这些负极材料可以实现高充放电容量，这使得它们成为介于电池和超级电容器之间的不间断对称储能器件的最佳负极材料。

此外，通过使用常规合成方法操纵这些负极材料的形貌和纳米结构，可以改善负极材料的性能并获得接近石墨电极的容量。此外，优化电极复合材料内部的活化环境将有助于增强这些化合物的固有性能，并使更厚的阳极材料电极能够被涂覆（这将使其具有更大的表面容量，1 mA h/cm2），因此，可以带来高能量密度和功率密度。

3、正极材料的长期发展

对寻找目前使用的石墨阳极材料的替代品进行了广泛的研究，包括硅、锡和金属合金纳米颗粒。可以预见，石墨负极材料350 mA h/g的比容量是可以突破的，可以达到1000 mA h/g以上的数值（理论上可以达到3800 mA h/g）。将纳米硅以薄膜或颗粒的形式合成不同的材料，通过沉积或嵌入等方式添加到导电碳基体中，有望获得上述良好性能。

然而，电极的优化，以及包含这些化合物的电池的整体优化，仍然需要多年的研究。Si-Li合金的体积膨胀、颗粒间接触的隔离（钝化）等仍是有待解决的问题。最后，这些负极材料的电位为0.5V/Li ⁺ /Li，与石墨非常接近。然而，尽管这些负极材料可以实现高能量密度，但它们在快速充电过程中的风险限制了电池的可用容量（增加的锂枝晶会导致严重的安全问题）。

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本文由日本NEC锂电池中国营销中心于2023-04-19 21:41:25 整理发布。
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