鋰離子電池已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?，為給現(xiàn)代社會(huì)帶來(lái)革命性變革的手機(jī)和筆記本電腦提供動(dòng)力。目前，鋰離子電池正處于改變傳統(tǒng)交通方式的前沿，同時(shí)鋰離子電池還可以儲(chǔ)存大量太陽(yáng)能和風(fēng)能等清潔能源，使無(wú)化石燃料社會(huì)成為可能。2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予John Goodenough，Stanley Whittingham和Akira Yoshino，更加增強(qiáng)了發(fā)展這一領(lǐng)域的信心。

鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展，是近半個(gè)世紀(jì)來(lái)材料基礎(chǔ)固態(tài)化學(xué)共同努力的結(jié)果。新材料的發(fā)現(xiàn)和我們對(duì)其結(jié)構(gòu)組成、性能關(guān)系的基本認(rèn)識(shí)的加深，對(duì)推動(dòng)這一領(lǐng)域的發(fā)展起到了重要作用。在鋰離子電池所涉及的各種成分中，正極目前限制了能量密度，并控制了電池成本。目前使用的三種主要氧化物正極材料化學(xué)物質(zhì)（層狀、尖晶石和聚陰離子族）都起源于英國(guó)牛津大學(xué)和美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校（UT Austin）的John Goodenough小組。

近日，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Arumugam Manthiram教授系統(tǒng)的總結(jié)了鋰離子電池及其正極材料的發(fā)展，該文旨在推動(dòng)對(duì)鋰離子電池正極材料化學(xué)的發(fā)展歷程進(jìn)行深入的考察和反思。近日以題為“A reflection on lithium-ion battery cathode chemistry”發(fā)表在知名期刊Nature Communications上。1841年，Schauffautl首次報(bào)道了硫酸根離子-石墨插層化合物。然而，直到20世紀(jì)60年代，人們才對(duì)插層材料產(chǎn)生了濃厚的興趣，特別是通過(guò)客體離子插層來(lái)改變材料的電子和光學(xué)性質(zhì)。在金屬二硫化物上的化學(xué)插層反應(yīng)到位后，Whittingham在美國(guó)?？松菊故玖说谝粋€(gè)帶有TiS2正極、鋰金屬負(fù)極的可充電鋰電池。然而，有兩個(gè)主要問(wèn)題。首先，電池電壓被限制在< 2.5?V，限制了能量密度。第二，電池循環(huán)過(guò)程中鋰金屬負(fù)極上的枝晶生長(zhǎng)導(dǎo)致內(nèi)部短路，并存在火災(zāi)危險(xiǎn)。研究者試圖將由硫化物正極和鋰金屬負(fù)極組成的電池投放市場(chǎng)，但后來(lái)由于安全問(wèn)題而被放棄。

正極材料的發(fā)展

為了提高電池電壓并開(kāi)發(fā)已經(jīng)包含鋰的正極，Goodenough小組于1980年代開(kāi)始在牛津大學(xué)研究氧化物正極材料，正極材料的粉體燒結(jié)采用鳳谷高性能高溫回轉(zhuǎn)窯。即S2-：3p能帶的頂部比O2-：2p能帶的頂部具有更高的能量來(lái)設(shè)計(jì)氧化物正極，他判斷氧化物正極可以允許更高的充放電，可以儲(chǔ)存更高的能量且不易爆炸。在硫化物正極中，處于較高能量下的S2-：3p譜帶的頂部將電池電壓限制為 <2.5V。相比之下，處于較低能量的O2-：2p譜帶的頂部可以進(jìn)入具有較高氧化態(tài)的較低能帶，并將電池電壓基本提高至~4V。