1.2　鋰離子電池歷史

電化學(xué)電源，通常稱為化學(xué)電源，是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置；可充電電池（英文為rechargeable battery），有時(shí)又稱為二次電池（英文為secondary battery），是可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，并在適當(dāng)?shù)臈l件下也可以將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的裝置。

最早的電化學(xué)研究是與生物電化學(xué)相關(guān)的，一般認(rèn)為電化學(xué)研究起源于意大利Bologna大學(xué)Luigi Galvani（圖1.8）以及意大利Pavia大學(xué)Alessandro Volta（圖1.9）的工作，先后經(jīng)過數(shù)種化學(xué)電源體系以后鋰系列電池開始出現(xiàn)，1991年Sony公司實(shí)現(xiàn)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化（液態(tài)電解液），鋰聚合物電池在1996年出現(xiàn)，2009年Cymbet公司推出全固態(tài)鋰電池。

這期間，1802年Dr.William Cruickshank 設(shè)計(jì)了第一個(gè)批量生產(chǎn)的電池，使用的是Cu和Zn；英國化學(xué)家John F.Daniell在1836年致力于解決Volta電池中的氫氣析出問題，1844年William Robert Grove 開發(fā)了新的電池體系，電壓幾乎比Daniell的提高了兩倍，是將PPt和Zn浸入酸性溶液中構(gòu)成的。1859年法國G.Plante發(fā)明鉛酸電池，1866年法國工程師G.L.Leclanche發(fā)明了以二氧化錳為正極、鋅為負(fù)極、氯化銨為電解液的后來以他的名字命名的樂克朗謝電池，即Zn/MnO2-C電池。1899年瑞典W.Jungner 發(fā)明Cd-Ni電池，兩年后Edison 提出用Fe代替Cd，這個(gè)時(shí)期的Ni-Cd和Ni-Fe電池都很昂貴，因?yàn)椴牧现苽潆y，只是在后來Shlecht、Ackermann和Neumann進(jìn)一步改進(jìn)工藝與設(shè)計(jì)后，才真正走向?qū)嵱没＝?jīng)過Lewis Urry等人的努力，1959年堿性Zn-MnO2電池走向?qū)嵱没?970年Ni-H2電池出現(xiàn)并最終在軌道衛(wèi)星上獲得應(yīng)用，1989年Ni-MH電池走向市場(chǎng)化。

與傳統(tǒng)的堿性二次電池比，鋰電池技術(shù)從發(fā)展到成熟經(jīng)歷的時(shí)間很短。鋰是最輕的金屬，也是具有很高的標(biāo)準(zhǔn)還原電位的金屬之一，這兩個(gè)性質(zhì)使其具有誘人的能量意義，理論比能量為3860mA·h/g，而鋅為820mA·h/g，鉛為260mA·h/g，由于其標(biāo)準(zhǔn)還原電位小于-3.0V，所以實(shí)際電池均采用非水電解質(zhì)。

鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)在于：

① 高的工作電壓，一般在3.6～4.0V范圍，是Ni-MH電池的3倍，鉛酸電池的2倍。

② 高比能量，比能量是Ni-Cd電池的1.5倍。

鋰離子電池的大電流充放電能力不如Ni-Cd和Ni-MH電池，一般可以忍受1C的大電流充放電，運(yùn)行溫度在-20～60℃范圍，循環(huán)壽命超過500次，自放電速率為每月8%～12%，擱置壽命長(zhǎng)，記憶效應(yīng)小于Ni-MH電池和Ni-Cd電池。鋰電池安全性比較差。表1.3是鋰離子電池體系與其他電池體系性能比較。

鋰電池中一些早期的概念來自于日本科學(xué)家。典型的早期鋰原電池是Li-I2電池，主要應(yīng)用到心臟起搏器上，替代原來的Zn-HgO原電池，以解決該電池使用壽命短、氫氣析出引起的密封不好的問題，如圖1.10所示。

大致上，1973年以前的都是原電池，電解液以PC+LiClO4為主，后來Tadiran開發(fā)了二氧環(huán)戊烷（dioxolane）基電解液，它可以在110℃以上自發(fā)聚合，可增強(qiáng)安全性。電池體系包括：Li/CuF2、Li/CuCl2、Li/NiF2、Li/CdF2、Li/Ni3S2、Li/CuS、Li/Ag2CrO4、Li/MoO3、Li/SO2、Li/（CF）n、Li-SOCl2、Li-SO2Cl2等，后兩者出色的超大電流放電能力使其可能適合魚雷等武器系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代后期松下開發(fā)了Li/（CF）n，正極是白色絕緣憎水有機(jī)化合物，工作電壓2.5V；1972年Matsushita報(bào)道Li/（CF）n原電池，同年Moser報(bào)道固體Li/LiI/I2-PVP電池，1975年報(bào)道熱處理電解MnO2作為原電池正極，Li/MnO2原電池開始挑戰(zhàn)Li/（CF）n電池。這些電池先后用于LED捕魚浮標(biāo)、照相機(jī)、記憶存儲(chǔ)備用電源。

表1.4為20世紀(jì)70年代商業(yè)化的鋰原電池。

20世紀(jì)70年代和80年代相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家大部分致力于無機(jī)陰極材料，同時(shí)開發(fā)導(dǎo)電聚合物如聚丙烯腈（PAN）作為正極或者負(fù)極活性物質(zhì)。除了聚并苯（polyacene，PAS）電池，其他聚合物的缺點(diǎn)都是能量密度太低，不適合大尺寸電池，僅僅適合扣式電池。

20世紀(jì)70年代早期開始嘗試可充鋰電極研究，與Ni-Zn電池一樣，考察多年最終失敗。鋰金屬電極的問題是枝晶、形狀變化與海綿鋰的形成。1985年Moli能源公司宣布的可充Li/MoS2電池，AA型容量600mA·h，工作電壓1.3～2.4V，60mA下循環(huán)壽命250次。同時(shí)期出現(xiàn)鋰化MnO2/Li可充電池，AA型容量750mA·h，工作電壓2.5～3.4V。在1987～1989年間曾作為NTT移動(dòng)電話電源使用，后因安全問題退出市場(chǎng)。

表1.5為20世紀(jì)80年代開發(fā)的可充鋰電池體系。

以金屬鋰為負(fù)極的電池最終因?yàn)榘踩珕栴}而失敗。

鋰離子電池中正極化學(xué)勢(shì)比負(fù)極高，充電時(shí)，正極失去鋰離子，作為陽極被氧化，放電時(shí)，正極接收鋰離子，作為陰極被還原。一般，電解液是液態(tài)的，如果使用固體電解質(zhì)，通常運(yùn)行溫度在80℃以上，以保證足夠高的鋰離子傳輸速度。

得到實(shí)際應(yīng)用最成功的負(fù)極是碳材料，早在20世紀(jì)20年代就知道了石墨或未石墨化的無序相堿金屬石墨嵌入化合物，Herold致力于LixCn的研究，碳材料的最大嵌鋰量為L(zhǎng)i∶C=1∶6，最大理論容量372mA·h/g，首次充電伴隨著SEI的形成，隨后可以提供比金屬鋰好得多的循環(huán)穩(wěn)定性。

1972年，Exxon采用Whittingham提出的TiS2陰極，循環(huán)性能見圖1.11，該材料的循環(huán)穩(wěn)定性比較好。

TiS2的特點(diǎn)是質(zhì)量輕，電子導(dǎo)電性好，在LixTiS2（0<x<1）組成范圍內(nèi)沒有相變，工作電壓偏低，在2.0V，后來制備的一些扣式電池在手表中獲得應(yīng)用。V2O5的研究也有30多年的歷史，具有層狀結(jié)構(gòu)，層間V—O鍵很弱，隨著鋰離子的嵌入，在3V以上先后形成α、ε、δ相，進(jìn)一步嵌入鋰后在2.0V以上形成γ、ω相。也有一些氧化釩的干凝膠、氣凝膠的報(bào)道，但是還是存在著電壓變化太大的現(xiàn)象。作為實(shí)用的鋰離子電池正極材料，電壓變化不能超過0.5V。后來Goodenough發(fā)現(xiàn)了鈷酸鋰，電壓在4.0V左右，層狀結(jié)構(gòu)，沿著c軸依次是—O—Li—O—Co—O—，為立方氧密堆積排布，稱O3堆積，后來又報(bào)道了ABCBA的氧堆積方式，稱為O2堆積，兩者工作電壓有所差別。同時(shí)期還致力于LixWO2/TiS2、MoO2/LiCoO2、WO2/LiCoO2的組合研究，1988年Mohri證明了裂解碳/鋰化氧化鉻可循環(huán)500次以上。不過此時(shí)還沒有冠以鋰離子電池的稱呼，第一個(gè)報(bào)道鋰離子電池的是LiCoO2/石油焦，與現(xiàn)在的鈷酸鋰/碳負(fù)極相比，平臺(tái)傾斜是第一代鋰離子電池的特點(diǎn)。

鋰離子電池在充放電過程中伴隨著鋰離子在正負(fù)極之間不同的移動(dòng)，俗稱搖椅式電池，這樣的概念可追溯到20世紀(jì)70年代末期，并在80年代初得到一致認(rèn)同。1972年Matsushita報(bào)道Li/（CF）n原電池，同年Moser報(bào)道固體Li/LiI/I-PVP電池，1977年Whittingham致力于Li/TiS2研究，圖1.12為大型的Li/TiS2電池，鋰鹽為L(zhǎng)iB（CH3）4，溶劑為二氧環(huán)戊烷。1978年Armand報(bào)道聚合物電解質(zhì)電池Li/PEO/V2O5；1980年Goodenough致力于LiCoO2，同年Scrosati報(bào)道搖椅式電池LixWO2/TiS2；1991年Sony公司基于Asahi的專利成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，使用了電子電路控制充放電，使用了電流切斷裝置和具有熔斷功能的聚合物隔膜，其中正極采用了1980年由Goodenough提出來的LiCoO2，負(fù)極為人工合成石墨材料。Sony公司對(duì)鋰離子電池的商業(yè)化做出了巨大的貢獻(xiàn)。1996年Li-空氣電池成為研究熱點(diǎn)；1997年Goodenough報(bào)道LiFePO4。后來加拿大的Hydro Québec和美國的3M公司聯(lián)合開發(fā)了Li/poly（ethylene oxide）PEO/VOx全固態(tài)電池。經(jīng)過30余年的發(fā)展，鋰離子電池體系在當(dāng)今二次電池市場(chǎng)中占有重要的地位。圖1.13是B.Scrosati總結(jié)的鋰離子電池應(yīng)用領(lǐng)域，最初主要應(yīng)用到蜂窩式電話、微型電腦、攝像/照相器材等領(lǐng)域，進(jìn)入2010年以后，在電動(dòng)工具和混合動(dòng)力汽車中獲得應(yīng)用。

鈷酸鋰缺點(diǎn)是價(jià)格高，實(shí)際容量有限。價(jià)格低和電壓高的優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)致20世紀(jì)90年代以后錳酸鋰出現(xiàn)，它有三個(gè)電壓平臺(tái)，4V的平臺(tái)源自于鋰離子嵌入到Fd-3m結(jié)構(gòu)中的四面體位置，3V電位平臺(tái)代表鋰離子進(jìn)入八面體位置，其中4V的比3V的穩(wěn)定。

與鈷酸鋰一樣，LiMO2得到持續(xù)的關(guān)注，M=Ti、Ni、Mn、Cr、Fe等，其中，LiMnO2低價(jià)格、理論容量高、環(huán)保，曾經(jīng)得到更多關(guān)注，不過在室溫下在循環(huán)過程中其結(jié)構(gòu)從層狀向尖晶石轉(zhuǎn)變，這個(gè)問題一直沒有得到有效解決。LiMnxCo1-xO2，最初是考慮Co取代部分Mn可以增強(qiáng)LiMnO2的循環(huán)穩(wěn)定性，而Mn取代部分Co可以降低LiCoO2的價(jià)格，Li0.9Mn0.9Co0.1O2的層狀結(jié)構(gòu)得到很好的穩(wěn)定。一種論點(diǎn)認(rèn)為，Co是電化學(xué)惰性的，只是穩(wěn)定層狀結(jié)構(gòu)，Co含量增大后穩(wěn)定性增強(qiáng)但是容量會(huì)降低。大約在2001年以后，LiNi1-xMxO2得到關(guān)注，特點(diǎn)是容量高、穩(wěn)定性好，x=0.5，M=Mn時(shí)容量可達(dá)到200mA·h/g，其中Mn為+4價(jià)，與鋰離子嵌入量無關(guān)，Ni從+2到+4價(jià)變化。

對(duì)于LiNiO2，一般認(rèn)為，性能的改進(jìn)主要源自于Ni在鋰層含量的降低，其次才是其導(dǎo)電性的改進(jìn)。

對(duì)于LiMnO2，Ni取代不會(huì)明顯提高電子導(dǎo)電性，不如Co取代提高的那么明顯。LiNi0.5Mn0.5O2中混排的Ni離子占5%，他們占據(jù)鋰離子的位置，會(huì)引起倍率低。LiMn0.2Ni0.5Co0.3O2（習(xí)慣稱為“532”），引入Co后鋰層中過渡金屬原子占比降低到2.4%，其中Co的作用，在早期研究LiNixCo1-xO2時(shí)就發(fā)現(xiàn)了，主要是降低Ni/Li無序；合成溫度以800～900℃最佳，以減輕Ni無序。后來認(rèn)為“442”具有最好的容量、熱穩(wěn)定性和循環(huán)穩(wěn)定性。同時(shí)期“333”也開始吸引學(xué)者與企業(yè)的關(guān)注，其中發(fā)生無序的過渡金屬都是Ni，Co的作用是提高導(dǎo)電性，也有認(rèn)為可以抑制Ni無序。

Cr取代LiMnO2中的部分Mn可降低結(jié)晶尺度，減小Mn—O距離，Cr離子阻止Mn離子向Li位置的遷移，有助于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，例如LiMn0.9Cr0.1O2的可逆容量190mA·h/g，隨循環(huán)進(jìn)行容量衰減不明顯。不過其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不大，因?yàn)镃r價(jià)格昂貴且有毒。

LiMnO2、LiCoO2和LiNiO2，三種層狀材料的研究導(dǎo)致532、333、622、811等各種三元材料出現(xiàn)的同時(shí)，還導(dǎo)致富鋰層狀固溶體系列材料的出現(xiàn)。

聚陰離子型包括角共享MO6八面體結(jié)構(gòu)和XO4四面體結(jié)構(gòu)，M=Fe、Ti、V、Nb，X=S、P、As、Mo、W，這些材料中典型的是LiFePO4，是1997年Goodenough最先報(bào)道的，電壓3.4V，容量165mA·h/g以上，價(jià)格低，化學(xué)與熱穩(wěn)定性好，環(huán)境污染小，由于差的電子和離子導(dǎo)電性，倍率不好，其性能受制備條件影響巨大，一般是球磨混料，然后300～400℃加熱，最后500～800℃加熱。圖1.14為L(zhǎng)iFePO4的充放電曲線。

1978年，英文“insertion”“intercalation”開始出現(xiàn)，一般翻譯成“嵌入”反應(yīng)，為新型鋰離子電池正負(fù)極材料的開發(fā)翻開嶄新的一頁。Sanyo的H.Ikeda首先申請(qǐng)了有機(jī)溶劑中的嵌入材料的專利，時(shí)間是1981年6月，是關(guān)于石墨材料的，此前一年Goodenough 申請(qǐng)了LiCoO2專利，Bell公司在1982年申請(qǐng)了石墨嵌鋰材料專利，在此之前Basu發(fā)現(xiàn)高溫下熔巖電解質(zhì)中石墨嵌鋰現(xiàn)象。

早期的18650電池，充電電壓截止在4.1V，容量為800mA·h，使用容量為200mA·h/g的硬碳負(fù)極，鈷酸鋰容量為130mA·h/g；第一代MCMB的容量在280mA·h/g左右，1998年Ube工業(yè)引入功能電解液，含有可以和負(fù)極反應(yīng)形成SEI（固體電解質(zhì)界面）的電解液添加劑，允許提高負(fù)極碳材料的石墨化度，第二代MCMB容量提高到320mA·h/g，目前已經(jīng)接近372mA·h/g的極限。2003年，通過使用與以前不同的鈷酸鋰、穩(wěn)定化的石墨以及添加劑（抑制電解液在陰極的分解并在負(fù)極形成SEI），電池可以充電到4.2V，容量達(dá)到了2.4A·h。目前大約是3.0A·h，有3.2A·h的報(bào)道。

鋰電池的產(chǎn)業(yè)化離不開電解液的進(jìn)步，但是直到20世紀(jì)50年代末60年代初非水溶劑的電化學(xué)才引起人們的注意，1952年有機(jī)物電池溶劑的專利出現(xiàn)，但是鋰離子電池的發(fā)展應(yīng)歸功于W Harris在1958年加利福尼亞大學(xué)的博士論文研究，被命名為環(huán)脂電化學(xué)，主要是基于對(duì)碳酸丙二醇及其電解液的研究。在1970年以前的鋰電池研究是在NASA與美國國防部的資助下進(jìn)行的，因此主要信息都是在美國政府和專利中提到的，這段時(shí)間研究了很多溶質(zhì)-溶劑的配比，鋰鹽以LiClO4為主，溶劑包括AN、BL、DMC、甲酸正丁酯（n-butyl formate）、DMF、DMSO、乙酸乙酯（ethyl acetate）、乙酰乙酸乙酯（ethyl acetoacetate）、EC、乙酸甲酯（methyl acetate）、甲酸甲酯（methyl formate）、NM、PN、2-戊酮（2-pentanone）與PC，電導(dǎo)率在6×10-3～3.6×10-2S/cm范圍。混合溶劑如PC-EC的使用可以改善導(dǎo)電性。這段時(shí)間研究的陰極材料有AgCl、CuCl2、CuF2、CuS等，存在的問題是放電效率比較低，由電解質(zhì)雜質(zhì)及陰極引起的擱置壽命低，同時(shí)發(fā)現(xiàn)電池可以在14%DOD的條件下循環(huán)，將電解液仔細(xì)除水后，充電效率接近100%，但陽極溶解效率也只有80%。

在20世紀(jì)70年代到80年代中期，鋰原電池成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。這段時(shí)間最重要的發(fā)現(xiàn)也許就是鋰金屬在與某些有機(jī)溶劑接觸時(shí)，良好的穩(wěn)定性不是由于熱力學(xué)的原因而是由于鈍化膜的形成，同樣，鈍化膜性質(zhì)會(huì)影響體系的壽命長(zhǎng)短，Peled詳細(xì)闡述了該鈍化膜的特征以及它對(duì)電池動(dòng)力學(xué)的影響，創(chuàng)造了固體電解液中間相這個(gè)術(shù)語，并認(rèn)為速度控制步驟不是電荷的傳遞而是鋰離子經(jīng)過該膜的移動(dòng)，這樣的研究對(duì)鋰離子二次電池的成功具有重要的意義。

早期的發(fā)展主要是基于軍事上的需要，在10年時(shí)間容量迅速從5mA·h提高到幾千安時(shí)，能量密度一般在150～250W·h/kg。由于電解液比較低的導(dǎo)電率，功率密度比較低。一些其他特性使之適于電子儀器方面應(yīng)用：工作電壓達(dá)到3V甚至4V；放電平坦，通過使用在放電時(shí)氧化還原態(tài)活性不變的陰極，電池開路電位恒定，松下的Li/（CFx）n扣式電池以3μA放電7年電位不變化；閑置壽命長(zhǎng)，主要是由于鈍化膜的存在，室溫十年容量損失小于10%；在-40～60℃范圍正常工作。

扣式電池是重要的一種，圓柱形次之，卷繞式圓柱形設(shè)計(jì)適用于高容量密度與能量密度的應(yīng)用，螺旋卷繞式（spiral wound）結(jié)構(gòu)適用于大電流使用。薄膜或紙電池的總厚度一般為幾百微米。大型電池是將并聯(lián)的平板電極放在塑料容器中。

自Sony在1990年成功將二次鋰離子電池市場(chǎng)化后，鋰離子電池在二次電池市場(chǎng)開始占據(jù)優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)占比迅速攀升，目前一般使用spiral wound 結(jié)構(gòu)，正負(fù)極分別均勻地壓到鋁片與銅箔的兩側(cè)，黏結(jié)劑使用EPDM，微孔狀的聚烯烴隔膜含有混合的溶劑基液態(tài)電解質(zhì)，有時(shí)隔膜由三層（PP/PE/PP）結(jié)構(gòu)組成，電池工作電壓3.6V，最低300次循環(huán)，必須按規(guī)定工作以保證安全，在串聯(lián)或并聯(lián)時(shí)尤其要小心，防止過充過放及衰減。

目前鋰離子電池能量密度在400W·h/L、180W·h/kg量級(jí)，各種化學(xué)電源體系能量密度，如圖1.15所示。

和鋰離子電池有關(guān)的具有代表性的主要專利，如表1.6所示。

從最初的鋰原電池到目前以LiCoO2、Li（NiCoAl）O2、LiMn2O4以及Li（NiCoMn）O2為正極的現(xiàn)代鋰離子電池體系，進(jìn)步的主要原因之一是對(duì)負(fù)極表面和正極表面相界面層認(rèn)識(shí)的不斷深入，早期鋰離子電池的進(jìn)步離不開對(duì)負(fù)極表面的認(rèn)識(shí)，到了2010年以后高壓鋰離子電池的時(shí)代開始，這主要源于對(duì)正極表面的研究結(jié)果。

在負(fù)極方面，1977年發(fā)現(xiàn)在電解液中浸漬的鋰金屬表面會(huì)形成表面鈍化膜，1979年開始使用固體電解質(zhì)界面（SEI）的概念，1983年提出了表面結(jié)構(gòu)模型，1985年利用FTIR、XPS和XRD等技術(shù)發(fā)現(xiàn)表面薄膜層中存在碳酸鋰和受電解液組成影響的聚合物，1987年Aurbach報(bào)道了表面薄膜中烷基碳酸鋰化合物，1994年和1995年Aurbach和Kanamura基于阻抗測(cè)試結(jié)果提出表面薄膜的等效電路，1995年Besenhard開始提出3D表面模型結(jié)構(gòu)、石墨層結(jié)構(gòu)崩潰模型，認(rèn)為溶劑分子共嵌入是主要原因。1999年提出的界面模型中開始明確多層界面結(jié)構(gòu)。目前，雖然關(guān)于負(fù)極表面界面層SEI的細(xì)節(jié)還存在爭(zhēng)論，但是基本的認(rèn)識(shí)已經(jīng)解決。負(fù)極表面SEI層的認(rèn)識(shí)歷史，如圖1.16所示。

關(guān)于正極表面是否存在著與負(fù)極表面類似的界面層，一直存在爭(zhēng)論，目前，以筆者觀點(diǎn)看，大部分研究者接受了在正極表面也存在界面層的觀點(diǎn)，但是，關(guān)于正極表面的界面層性質(zhì)還存在很大分歧，例如有的研究者認(rèn)為正極表面界面層具有電子導(dǎo)電性，還有人則反對(duì)此看法，無論如何，一般用EEI代表正極表面界面層。最先報(bào)道鈷酸鋰表面存在表面層的是Goodenough，他在1985年提出在鈷酸鋰表面存在高阻抗表面層，1996年Kanamura利用FTIR技術(shù)發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰表面存在碳酸酯類官能團(tuán)，1998年Aurbach報(bào)道了正極表面存在ROCO2Li，2002年Erikkson、2004年Edstroem等人開始提出各種EEI的結(jié)構(gòu)與組成模型，2011年Yabuuchi報(bào)道了在富鋰正極材料表面存在Li2CO3。2000年以后出現(xiàn)越來越多的正極表面EEI存在的證據(jù)，并逐步得到公認(rèn)，研究成果也被利用到改進(jìn)正極性能方面，例如通過人為構(gòu)建表面薄膜的方法提高正極材料充電電壓上限以及用于修飾正極表面的電解液添加劑的開發(fā)。正極表面EEI層的研究歷史脈絡(luò)，如圖1.17所示。

未來鋰離子電池的發(fā)展，可能會(huì)集中在以下幾個(gè)方向上。

① 具有更高能量密度與電化學(xué)性能的電池。與目前的碳負(fù)極材料相比，更高容量的負(fù)極開發(fā)與使用，如富士公司的錫基氧化復(fù)合物；一些重量比容量、體積比容量高于碳基材料且循環(huán)時(shí)容量損失小的鋰合金，如銅錫合金，Cu6Sn5具有與NiAs和Ni2In類似的結(jié)構(gòu)，形成LixCu6Sn5化合物，0<x<13，鋰嵌入時(shí)的過電位只有幾百毫伏（高于鋰金屬標(biāo)準(zhǔn)還原電位），而且沒有像二元合金LixSn的體積膨脹問題。

Si負(fù)極的實(shí)用化可能性大于Sn負(fù)極，主要原因在于鋰化程度（Li4.4M）相同的情況下Si具有更小的原子量，不過，單獨(dú)使用Si做負(fù)極的可能性還很小，和C組成復(fù)合負(fù)極的可能性比較大，并且這種C-Si復(fù)合負(fù)極，需要預(yù)先鋰化，這是兩個(gè)因素決定的，一是Si本身的首次循環(huán)不可逆容量就大，還有重要的一點(diǎn)就是C-Si復(fù)合負(fù)極材料中的Si是循環(huán)在高鋰化狀態(tài)的，這決定了該材料需要消耗大量鋰源以達(dá)到預(yù)期的Si成分高鋰化態(tài)。

新型負(fù)極開發(fā)工作只能限于輕元素。

正極材料情形類似，假如正極材料具有LiMxXy的通式，其中M為過渡金屬，X為陰離子，可以是氧離子，也可以是聚陰離子（如磷酸根）。高比容量的要求決定了LiMxXy要具有盡可能小的分子量，因此，只能限于周期表中分子量比較低的那些過渡金屬元素。

② 大型鋰離子電池組/堆的巧妙設(shè)計(jì)，首先是針對(duì)安全性，這主要涉及兩個(gè)方面：一致性和散熱，主要用于電動(dòng)車和能量?jī)?chǔ)存用的大型電池系統(tǒng)。

③ 新型功能電解液開發(fā)。無論如何，鋰離子電池安全性的關(guān)鍵，以及鋰離子電池系統(tǒng)的本征特征，都是由電解液決定的。更安全、應(yīng)用溫度范圍更廣（-40～60℃）、電化學(xué)窗口更寬的電解液將贏得更多的市場(chǎng)青睞。