生物质衍生碳/锡复合材料的制备及其电性能研究(2)
从埃克森的M.S.Whittingham[1]于1970年代采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池开始，锂离子电池先后经历了钴酸锂作为锂离子电池正极材料，制作首个金属锂离子嵌入石墨的可用电极，到具有高性能导锂、导电性的锰尖晶石的正极材料，再到具有更高电压的聚合阴离子正极，首个商用锂离子电池，到最后主流的具有橄榄石结构的磷酸盐正极材料。锂离子电池（LIBs）凭借着自身重量和体积能量密度很高，稳定的结构这些优异的性能，在数码产品如手机、笔记本电脑等便携式电器这类产品中得到广泛应用，并在近年逐步向其他产品应用领域扩展。
然而，目前电池技术的发展水平并不能满足以后高性能应用的需求，因此通过控制使用的内在电极和电解液材料，来开发具有低损耗、寿命长、安全性高、高能量与功率密度的先进锂离子电池（LIBs）系统是很有必要的[2]。为了达到高比容和高循环效率的需要，在电极材料中掺杂金属锡（Sn）制备成复合材料被认为是最有希望取代商业石墨（372 mAh/g）的负极材料——理论比容量高达990 mAh/g[3-5]。然而，由于金属锡粒子在锂化/反锂化过程中体积的巨大膨胀，导致粒子严重的粉碎和容量快速衰减，使得其在先进锂离子电池中的实际应用受到了主要阻碍。
1.1 锂离子电池工作原理
传统的锂离子电池(LIBs)，按照工作原理来说是一种锂离子浓差电池，主要凭借在正极和负极之间来回移动的锂离子来工作，在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质输送作用嵌入负极，负极处于富锂状态[6]；放电时则相反。
具体充放电过程的可参照图1。
图1. 离子电池工作原理示意图[6]
锂离子电池由正极、负极、电解液、隔膜、电池外壳和绝缘材料吹冰部分组成，与传统的二次电池构造类似[7]。其中，电极材料的选择最为重要，因为它决定着电池的比容量和循环使用寿命，负极材料通常具备有能够允许锂离子脱落与嵌入的层状碳素材料或者锡基材料，正极材料是一般包含锂离子的金属氧化物的活性物质。
电解液的选择一般非水液态的有机电解溶液。溶质通常采用锂盐，如高氯酸锂(LiClO4)、吹冰氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)等[8,9]，由于电池的工作电压远高于水的分解电压，因此锂离子电池常采用有机溶剂，如乙醚、乙烯碳酸酯（EC）、丙烯碳酸酯（PC）、二乙基碳酸酯（DEC）等两种或者多种混合而成的。
隔膜材料则常为绝缘性能好聚合物，比如多孔性的聚烯烃，主要是隔开正反两电级，防止电池发生短路而造成电池损害。
1.2 锂离子电池电极材料研究进展与展望
正极、负极材料和电解液部分是组成锂离子电池（LIBs）的主要成分。作为电池核心的正负极，基本上决定着电池的性能。对于电极材料而言，在满足能使锂离子嵌入与脱离的同时，正、负极材料还要具有不同的性能，负极材料的电位应与金属锂离子的电位尽可能接近，然而为了提高锂离子电池的电化学性能，如提高比容量、工作电压和比能量，正极却要选取与负极有较大电位差的材料，同时正极材料电化学相容性要好；此外，电极材料还要求比面积大、质量比大，具有电子导电性、内阻小，能自发的进行氧化还原反应，在充放电过程中保持自身结构的完整，减少使用过程中的损耗，防止发生安全性问题，这样才能使电池寿命长，提高电池的稳定性；同时，还要考虑可持续发展问题，所需材料在满足性能要求的基础上应该尽可能的环保、廉价、来源广泛、易制作等要求。
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