自组装合成石墨烯包覆粒径可控的三氧化二铁复合材料制备与应用研究(4)
1.3锂离子电池的研究进展
1.3.1 锂离子电池概述
锂电池按照可否进行再充电可分为锂原电池和锂可充电电池。1962年，被Chilton和Cook首次提出锂离子二次电池概念。随着锂离子电池负极材料石墨的开发成功和 LiCoO2正极材料的开发利用，锂离子电池逐步进入工业生产时代。
锂金属是已知金属中密度最小的金属（ρ=0.535×103kgm-3），其位于元素周期表的第一主族，第二位。锂金属拥有最负的标准还原电极电势（-3.045V vs. H2/H+），所以其在电化学上具有较强的电极电位和能量密度。在锂离子电池前期，主要以单质锂作为负极材料，TiS2等插层化合物作正极材料。锂电池在反复充放电循环过程中，会在锂金属表面析出锂枝晶的沉淀。但是锂枝晶的生长会刺穿有机聚合物隔膜，破坏锂离子电池内部结构，造成电池的容量下降，电池短路等不利情况，严重的情况会使电池电解液泄露，出现电池着火和爆炸等有害情况[32]。因此，以金属锂作为负极的可充电电池没有得到大规模的应用。其后，研究发现可以用碳材料作为负极，在锂离子嵌入和脱嵌过程中，碳材料的电化学性质稳定，几乎没有体积变化。碳材料作为负极材料促使锂电池快速的工业发展。
1990年，索尼公司向市场推出了以石墨材料为负极，钴酸锂为正极的新一代商品化锂离子电池，使锂离子电池实现了商品化[33]。
锂离子电池内部主要由正极材料、负极材料、电解液和隔膜组成。正极材料一般采用富锂的插锂化合物，例如LiCoO2、LiFePO4、LiMnO2等；负极材料一般采用碳材料以及金属氧化物材料等；电解液多将锂盐如LiPF6等溶于碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等有机溶液；常用的隔膜材料为多聚丙烯、聚乙烯等多孔材料。
以LiCoO2作正极，锂碳作负极为例简单描述锂离子电池的工作原理，充电时锂离子在正极发生脱嵌反应，离子经过电解液嵌入负极，与石墨结合生成LixC6。放电时，锂离子在负极碳材料上发生脱嵌反应，离子经过电解液进入正极，回到LiCoO2的骨架中。锂离子电池的电化学方程式如下：
1.3.2 锂离子电池的优点及不足
锂离子电池诞生以来，因为锂离子电池的高能量密度，便于携带，循环性能稳定，无记忆效应等优秀品质，便得到了广泛的研究和关注。目前商业生产的锂离子电池性能较以前有了明显的提高，其在二次电源市场拥有的比重越来越大，与其他商品化的高能二次电池相比，锂离子电池具有明显的优越性，表现为以下几个方面：
1) 工作电压高：商品化的锂离子电池开路电压在3.7~3.8V间，是镍-镉、镍-氢二次电池的2.5倍。
2) 能量密度高：目前商品化的二次锂电池的能量密度为450Wh/dm3，质量比能量约为150Wh/kg，体积比能量约为320Wh/L，是铅酸二次电池的2~5倍。并且，随着对高能量密度正、负极材料的深入研究和开发，还有不断上升的趋势。
3）输出功率大，可以大电流放电。
4) 自放电率小：锂离子电池在首次充电过程中会在碳负极表面形成一层导离子不导电子的SEI膜[32]，因此可以较好地防止自放电。锂离子电池的自放电率小于5%每月，不到镍氢和镍镉电池的一半。
5) 可快速充放电：由于电池正、负极活性材料均采用层状的可脱嵌锂离子材料，电池工作时锂离子可以在层间进行快速的脱嵌，实现快速充放电。
6) 工作温度限度大：二次锂电池可在不同温度下平稳放电，-40~60℃下正常工作。
7) 循环稳定性好，可长时间使用，无记忆性。
当然，锂离子电池也存在一些不足，
1.正极材料LiCoO2价格较高；
2. 由于石墨的嵌锂电位较低大电流充放电或者过度充电时会有锂枝晶产生，带来安全隐患；
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