鋰離子電池負極重要性體現在哪里？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，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利用率決定。

 

為什么要妥協？一般講，現在的負極候選材料（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復合負極材料的開發，也可以借鑒上述討論，粗略講，C-Si復合負極在實際應用時其中的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之間的妥協關系。正因為這兩個參數之間存在妥協關系，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復合負極的使用，廣義的就是M/C復合負極。

 

M/C復合負極的一個最大問題是高鋰化態的存在。高鋰化態是必然存在的，這是因為M的平均脫鋰電壓高于石墨碳的緣故。高鋰化態是針對M而言的，M的高鋰化態會導致一些意想不到的難題。新制備的M/C復合物產物是無鋰態，從無鋰態到M的高鋰化態，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的微觀相互關系，對于循環穩定性十分重要；此外，還存在首次充放電庫倫效率嚴重低的問題，也許這可以采用預循環來解決，但是預循環措施會伴隨著新的電池制造工藝開發。

 

 

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，不具有實際應用的可能。因此，目前一些關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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