鋰離子二次電池的性能是個非常復(fù)雜的綜合效應(yīng)，正、負(fù)極材料的選擇、電解質(zhì)與溶劑的匹配、電極與電解質(zhì)的相溶性、電極與電解質(zhì)中添加劑的使用、電極制作、電池的組裝工藝、電池的使用情況等，無不對電池有著復(fù)雜的影響。而電池的正、負(fù)極材料和電解質(zhì)是電池技術(shù)的關(guān)鍵因素。本文僅對負(fù)極材料和電解質(zhì)進(jìn)行研究分析。

1.  負(fù)極材料

目前鋰離子二次電池的負(fù)極材料主要有兩大類：碳負(fù)極材料和非碳（金屬氧化物）材料。

1.1   碳負(fù)極材料

選取負(fù)極材料的依據(jù)是鋰在其中可逆容量、反應(yīng)電位、擴(kuò)散速率等。碳材料對鋰的電位都比較低，一般小于1V，是較理想的負(fù)極材料，也是人們探索研究最多的一種材料，目前已商業(yè)化的鋰離子電池所用的負(fù)極材料幾乎均是碳材料。

鋰離子二次電池用的碳材料依照石墨化程度的不同可將其分為三種：石墨、非石墨、摻雜型碳。而石墨又可分為天然石墨、人工石墨和石墨化碳。石墨化碳包括碳纖維和介穩(wěn)相球狀碳（MCMB）。非石墨可分為兩種：軟碳和硬碳，軟碳包括焦碳和介穩(wěn)相球狀碳（MCMB）硬碳包括聚氧茂甲醇（PFA—C）、Polyacene(PAS)、對次苯（Parapherylene）、線性石墨混合物(LGH)。而目前在鋰離子二次電池中具實(shí)用價值和應(yīng)用前景的碳主要有三種：一是高度石墨化的碳，二是軟碳和硬碳，三是碳納米材料。

1.1.1 石墨                                         

石墨分為天然石墨和人工石墨。天然石墨又分為鱗片石墨和無定形石墨（又稱微晶石墨）。微晶石墨的成礦過程與人造石墨的生產(chǎn)過程很相似，與鱗片石墨的成礦機(jī)理不同，它是由煤演變而來的，具有很高的固定碳含量，可達(dá)80%&以上。其結(jié)構(gòu)由許多微小晶體構(gòu)成，每一個晶體就是一個完整的石墨片層，但片層的取向是隨機(jī)的，而且石墨化程度較高。人造石墨一般是由石油焦等碳材料經(jīng)粘結(jié)成型后，再碳化、石墨化得到的。

目前，對嵌鋰石墨作負(fù)極的研究主要焦點(diǎn)是：（1）石墨與電解質(zhì)的相容性比較差（對某些電解質(zhì)比較敏感），充放電過程中容易發(fā)生石墨的層狀剝落，導(dǎo)致循環(huán)性能變差；（2）石墨結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能的關(guān)系。

對于石墨對某些電解質(zhì)比較敏感，通過選擇適當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)系統(tǒng)可避免石墨電極的破壞。例如采用EC+DEC作為電解液的溶劑。有的學(xué)者則通過向電解液中加入SO2（質(zhì)量比為20%），促使電池在高電位（2.7V）形成鈍化膜。但生成比較致密的鈍化膜，會影響其電極的容量。針對這一情況，人們提出了很多修飾方法，如松下、三洋、索尼等公司，利用中等石墨化程度的半石墨類碳材料或采用不易分解或分解反應(yīng)較慢、比較穩(wěn)定的溶劑及電解質(zhì)鹽所構(gòu)成的電解液體系。另外，馬樹華、國漢舉等人根據(jù)I.kuribay和M.yamashita等人在Boston的第七屆國際鋰電池會議上提出的制備具有核殼結(jié)構(gòu)的碳材料，即以高鋰離子嵌入量的石墨類碳材料為核材料，以具有可生成較致密鈍化膜的無定形類碳材料為殼材料的思路，進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn)，在石墨粉顆?；蚴る姌O上氣相沉積一層無定形碳的殼層，可以有效地改善石墨作為非水溶液鋰碳電池負(fù)極的電極行為.馬樹華等人還對在碳電極上人工

沉積、施加一層鋰離子導(dǎo)通的固體電解質(zhì)薄膜進(jìn)行了試驗(yàn)和研究，結(jié)果表明，這一方法也對鋰離子電池的性能具有一定的改善作用。

石墨的結(jié)晶程度、微觀組織、堆積形式、顆粒大小及分布、純度等都對嵌鋰容量有影響。Zheng等認(rèn)為部分無序排列的存在是石墨嵌鋰容量小于理論容量的原因。調(diào)節(jié)熱處理溫度控制石墨的堆積形式對電池性能的影響，人們也進(jìn)行了專門的研究。

1.1.2 軟碳和硬碳

軟碳材料中主要是對石油焦的研究。Sony公司于1990年推出的第一代鋰離子二次電池，就是用石油焦作為負(fù)極材料。它是由石油瀝青在1000℃左右熱處理，使其脫氧、脫氫而成。這類碳材料中存在一定雜質(zhì)，難以制備高純碳，但資源豐富，價格低廉。Taraslom等用石油焦作負(fù)極組裝的鋰離子電池負(fù)極容量達(dá)到186mAh/g，對電解液不敏感，不會造成電解液的分解，鋰與電解液在石墨表面形成的純化層不易分解，而過充、過放性能好。但平均對鋰電位較高，在1V左右，造成電池的端電壓較低，限制了電池容量和能量密度，已遂漸被石墨負(fù)極材料所替代。

硬碳材料中研究的重點(diǎn)是各種高分子有機(jī)物的熱解碳。這類材料已有超過1000mAh/儲鋰容量。如日本的K.Sato等人利用聚亞苯基PPP）的熱解產(chǎn)物PPP-700作為電池負(fù)極，可逆容量達(dá)680mAh/g。美國的M.J.MAtthews報(bào)道，PPP-700儲鋰容量可達(dá)1170mAh/g，但是高的儲鋰容量并不意味著高的可逆容量，許多熱解碳材料的不可逆容量相當(dāng)高，除了電極液分解形成鈍化膜外，硬碳材料表面的各種活性基團(tuán)如氫氧基，以及其吸附的水分也是形成不可逆容量的主要原因。電極如果和各種活性氣體相接觸，如CO2、O2也會加大不可逆反應(yīng)。

另外某些硬碳材料出現(xiàn)了脫鋰滯后現(xiàn)象，這是由于當(dāng)一個碳原子連接一個氫原子時，鋰在與這個碳原子相結(jié)合時，C—C鍵要先從SP2轉(zhuǎn)變SP3，這就存在著一個能量的勢壘，同樣，當(dāng)鋰原子脫出時，也要克服這個能量勢壘。因此出現(xiàn)脫鋰滯后現(xiàn)象，能量勢壘越大，滯后越利害# 若用含氫的熱解碳作為負(fù)極材料，需設(shè)法減少能量勢壘，若能量勢壘消除掉，低溫?zé)峤馓紝⑹莾?yōu)異的負(fù)極材料。

1.1.3 碳納米材料

1991年日本ENC的Iijima用真空電弧蒸發(fā)石墨電極時，發(fā)現(xiàn)了具有納米尺寸的碳多層管狀物—納米碳管。此后，引起了人們廣泛的興趣和深入研究。納米碳管具有尺寸小、機(jī)械強(qiáng)度高、比表面大、電導(dǎo)率高和界面效應(yīng)強(qiáng)等特點(diǎn)。近年來，已把碳納米管用于鋰離子電池中作為負(fù)極材料。研究發(fā)現(xiàn)它具有高的可逆容量等優(yōu)異的電極性能，如尤金跨等研究了鋰離子電池納米相電極材料，并對其進(jìn)行表征，采用多種譜學(xué)方法和電化學(xué)方法探索了其嵌鋰的電化學(xué)行為。他們制備碳納米管材料，是采用Ni基催化劑在較低的溫度下（450℃）裂解甲烷而生成管徑比較均勻并具有中空結(jié)構(gòu)卷曲不規(guī)則的碳納米管，管徑在10nm~25nm之間。經(jīng)一定濃度硝酸處理、洗滌、烘干等步驟后獲得純凈的碳納米管，經(jīng)研究碳納米管在較大電流密度下充放電比一般碳材料具有更高的放電容量和良好的嵌鋰穩(wěn)定性。