鋰離子電池負極重要性體現(xiàn)在哪里？鋰離子電池的輸出電壓等于其正極電壓和負極電壓的差值，所以，鋰離子電池負極的脫嵌鋰電壓決定了電池的輸出電壓（至少一半），負極工作電壓越低，電池的工作電壓就越高。

 

電池比容量由正極比容量和負極比容量共同決定，負極比容量至少在感覺上決定了電池比容量的一半。

 

電池實際可利用容量還和負極脫鋰電壓平臺傾斜程度有關(guān)，脫鋰電壓平臺越平，負極可利用容量就越高，電池的比容量也就越高。

 

假如正極容量為P mAh/g，負極容量為Q mAh/g，電池的理論比容量x滿足下式

 

 

 

嚴格講，這種妥協(xié)不包括鋰金屬。鋰金屬工作電壓0V，理論容量3862mAh/g，實際容量由活性物質(zhì)利用率決定。

 

為什么要妥協(xié)？一般講，現(xiàn)在的負極候選材料（不包括金屬鋰）具有一個基本特點就是容量越大活性電極材料，其脫鋰電壓平臺（或者平均值）越高，例如，石墨類碳材料平均脫鋰電位為0.15V，實際容量為350mAh/g；Sn負極平均脫鋰電位為0.5V，理論容量為990mAh/g；Si負極平均脫鋰電位為0.45V，理論容量為4200mAh/g。Sn和Si的實際可利用容量，還不確定，最終由使用條件決定。

 

電池能量密度和比特性是平均工作電壓(正負極電壓差)與質(zhì)量比容量（或者體積比容量）的乘積決定，在以Si或者Sn替代碳基材料時，電池比容量增大量是否能彌補電池工作電壓的降低，是需要考慮的一個重要因素。一個簡單的例子說明，假如正極為磷酸鐵鋰，其工作電壓以3.45V計，容量以160mAh/g計；當與石墨碳(以0.15V，350mAh/g實際容量計)匹配時，1g磷酸鐵鋰匹配0.457g石墨碳，全電池理論比能量為(3.45-0.15)V*160mAh/1.457g=362.3mWh/g。

 

1g磷酸鐵鋰與Si負極匹配，Si負極按照0.45V和4200mAh/g計算，匹配后的全電池比能量為(3.45-0.45)V*160mAh/1.038g=462mWh/g。明顯的，使用Si負極替代石墨碳負極以后，其容量增長可以彌補因為其脫鋰電壓升高導(dǎo)致的電池電壓下降帶來的影響。當然，這是理論的考慮，因為Si負極實際容量不可能達到其理論值。假設(shè)Si負極實際容量為p，要滿足全電池比能量大于362.3mWh/g的條件，滿足的關(guān)系式是

 

 

當然，上式還是做了一點簡化，未考慮Si負極電壓與容量的關(guān)系，但是可以說明我們目前要討論的目的。計算可得p至少要492.5mAh/g，換句話說，Si負極的實際容量要大于492.5mAh/g才能保證全電池的質(zhì)量比特性不變差(和磷酸鐵鋰/石墨碳體系相比)。高容量C-Si復(fù)合負極材料的開發(fā)，也可以借鑒上述討論，粗略講，C-Si復(fù)合負極在實際應(yīng)用時其中的Si部分貢獻的容量不能小于492.5mAh/g，否則就沒有任何意義了。

 

這就是負極脫鋰電壓升高和可逆容量增大兩個參數(shù)之間的妥協(xié)關(guān)系。正因為這兩個參數(shù)之間存在妥協(xié)關(guān)系，這里就直接忽略了鈦酸鋰、氮化物，因為二者的電壓平臺實在是高，高得無法容忍。

 

 

目前看來，單獨以Si、Sn等完全替代石墨碳負極的可能性還不大；折衷方案是Si/C或者Sn/C復(fù)合負極的使用，廣義的就是M/C復(fù)合負極。

 

M/C復(fù)合負極的一個最大問題是高鋰化態(tài)的存在。高鋰化態(tài)是必然存在的，這是因為M的平均脫鋰電壓高于石墨碳的緣故。高鋰化態(tài)是針對M而言的，M的高鋰化態(tài)會導(dǎo)致一些意想不到的難題。新制備的M/C復(fù)合物產(chǎn)物是無鋰態(tài)，從無鋰態(tài)到M的高鋰化態(tài)，伴隨著體積的劇烈變化，鋰化后還是否保持著最初的M和C的微觀相互關(guān)系，對于循環(huán)穩(wěn)定性十分重要；此外，還存在首次充放電庫倫效率嚴重低的問題，也許這可以采用預(yù)循環(huán)來解決，但是預(yù)循環(huán)措施會伴隨著新的電池制造工藝開發(fā)。

 

 

對于鋰離子電池，其電壓不可能工作到0V；其比特性由正負極電壓差、正負極容量共同確定；這在本征上決定了一些電壓平臺不明顯，或者即使明顯但是高于1.0V的甚至是要從3.0V一直工作到0.0V的氧化物，不具有實際應(yīng)用的可能。因此，目前一些關(guān)于具有上述特征的氧化物脫嵌鋰的行為的研究，沒有任何意義，比如一些關(guān)于氧化銅、氧化鐵等材料的脫嵌鋰行為研究，無任何意義。




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