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1.1.2 锂电池的设计理念
锂离子电池一提出，就立刻引起了人们极大的兴趣和关注。在世界范围内掀起了锂离子电池的研究热潮,并取得了相当程度的进展，但仍然还有许多理论和技术问题,需要积极探索新的电池体系和电极材料,开发出性能更好的电池,以适应社会和环境的需求。
锂离子电池的设计贯彻了全新的电池概念。一般来讲，普通电池的工作原理大都基于“氧化-还原反应”[3]；而锂离子电池原理除“氧化-还原”以外，还基于电化学嵌入\ 脱嵌反应。在两极形成的电压降的驱动下，锂离子可以从电极材料提供的“空间”中“ 嵌入”或者“脱嵌”，在充放电过程中，锂离子在正负极间定向的移动。由于“嵌入与脱嵌”并没有造成电极材料晶格结构的变化，反应具有良好的可逆性。这让锂离子电池具有一般高能量密度可充电电池所不具备的高循环寿命[4]。
从锂离子电池的组成来看,锂离子电池由正极、负极、电解液和隔膜四部分组成，如图1.1所示。锂离子电池的电化学性能主要取决于电极材料和电解液，在锂离子电池中正极材料约占整个电池成本的40%左右,而正极材料对锂离子电池的安全性也起着重要作用,因此对正极材料的研究是锂离子电池研究领域中的一个非常重要的方面。
目前,世界各国都形成了高性能锂离子电池的研究和开发热潮,锂离子电池正在向高性能和低成本的方向发展,主要研究热点是开发适用于高性能锂离子电池的新材料和新技术。
1.1.3 锂电池的发展现状
如今，锂电池正朝着低成本、高能量、大功率、长寿命、微型化的方向发展。在这个过程中，除了制造工艺等的技术创新，最根本的还在于电池设计与电池材料的革新。电池中每一部件的技术突破都会带来电池性能的飞跃。
以LIB正极材料为例，无论是三文型的尖晶石材料，二文型的掺杂型层状化合物，还是含铁的硫、氧化物，研究的进展都使电池能量密度、安全性、功率密度得到不断提高。其中具有橄榄石结构的LiMPO4（M=Fe, Ni, Mn, Co，代表材料为LiFePO4）。由于其突出的安全性，在电动汽车领域的应用极具发展前途。
由于LiFePO4具有较稳定的氧化状态，安全性能好，高温性能好，同时又具有无毒、无污染、原材料来源广泛、价格便宜等优点，LiFePO4被认为是极有可能替代现有材料的新一代正极材料。但是LiFePO4存在的关键问题在于电导率很低，不导电的材料如何能够做出正极材料。因而专家们通过计算发现通过掺杂和形成氧的空位能提高导电性。LiFePO4的合成原料来源丰富，价格低廉、安全、无毒且与环境相容性好，有望成为下一代锂离子电池尤其是动力电源的首选正极材料。由于LiFePO4具有极低的电子电导和在橄榄石结构中较低的Li+扩散系数，只有在极低的电流密度或高温条件下才能达到理论容量，较差的倍率性能是制约LiFePO4实用化的瓶颈。为解决这一难题，大量的研究致力于提高LiFePO4的电导，改善其电化学性能，主要包括以下方法：用包覆碳或添加金属粉末合成LiFePO4导电复合材料；改进合成方法控制颗粒尺寸，合成粒径细小且分布均匀的材料以及掺杂金属离子提高材料的体相电导，掺杂金属离子能在晶格上改善LiFePO4的导电性，较低的掺杂量也不会降低材料的有效物质和能量密度[5-7]。
1.2 锂离子电池电极材料组成及其工作原理
1.2.1 锂离子电池的正极材料
锂离子电池的正极材料主要为：1）、嵌锂过渡金属氧化物主要针对于锂镍氧体系、锰氧体系和钒氧化合物及其衍生物以取代成本较为昂贵的LiCoO2这类材料具有较高的化学电位，并且是具备拓扑化学反应特征的插层化合物一般此类化合物为层状结构或尖晶石结构。2）、嵌锂金属硫化物LixMS2 (M: Mo, V, Ti, Fe)等。3）、其它如钒酸盐系列、钛酸盐系列和磷酸盐系列。
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