1.1  锂离子电池简介

1991年Sony公司基于Asahi的专利，成功实现了锂离子电池的商业化，经过二十几年的发展锂离子电池已经成为智能手机、笔记本电脑等电子产品领域中最具吸引力的电源选项。与传统碱性二次电池相比，锂离子电池具有工作电压（3.6 V-4.0 V）高、比能量高、工作温度范围广及可多次循环使用的优势[1]。表1.1是日常生活中几种常见电池的性能对比，可以预测在今后的社会发展中，锂离子电池将逐渐发挥更大的作用。

表1.1 常用电池性能对比

1.1.1 锂离子电池的结构和工作原理

锂离子电池结构一般如图1.1所示，通常由四种主要部件构成：正极、负极、电解质和隔膜[2]。电池正极材料一般包括嵌锂化合物（理论上层状结构和尖晶石结构皆可）；而主要作用为储锂的负极材料可分为碳基负极材料与非碳基负极材料；电解质材料一般采用有机液态电解质、全固态电解质以及凝胶聚合物电解质[3]。

图1.1 锂离子电池结构

图1.2所示的是锂离子电池的工作原理，分为放电和充电两个部分[2]。以石墨为负极的商业化电池为例，当电池充电时，锂离子从富锂的正极中脱嵌出来，迁移至负极，通过负极材料中的碳与锂离子反应生成LixC（xLi+ + xe- +C→LixC）来固定锂离子，同时石墨错杂的内部结构能吸纳一定数量的锂离子，这宏观上表现为锂离子电池的充电容量。当锂离子电池放电时，LixC发生分解（LixC → xLi+ + xe-），脱出的锂离子经过一层只允许离子出入的电解质层再次回到正极，这部分回到正极的锂离子表现为锂离子电池的放电容量。与充电容量相比，这将不可避免地会造成一部分损失，因此，锂离子电池能否高效稳定工作取决于正负极材料输送锂离子的能力和电解质的稳定性等几个方面。

图1.2 锂离子电池工作原理

1.1.2  锂离子电池负极材料

锂离子电池负极材料的研究主要有以下几种：石墨化碳材料、氮化物硅基材料、锡基材料、新型合金、纳米氧化物和其他材料[3]。作为锂离子电池负极材料要求具有以下性能[3]：

(1) 氧化还原电位尽量低，具有低平不易波动的充放电平台；

(2) 负极材料可以保证尽量多的Li+自由可逆嵌入与脱嵌，该过程可以明显提升质量比或体积比容量；

(3) 在电池工作过程中，Li+的迁移对于负极材料的内部构筑以及膨胀收缩效应的影响比较小，因此可以带来更佳的循环表现和更长的工作时间；

(4) 正极与负极之间电化学势尽可能大，相应的电池功率高；

(5) 负极活性物质具备可靠的电子和离子电导率，避免产生影响电池的极化现象，对电池进行高倍率电流充放电十分有帮助；

(6) 内部结构存在大量且稳定的疏通路径，可以供Li+进行流畅、无障碍的传导，满足快充技术需求；

(7) 表面能够与电解质生成强度适中，致密程度适宜的固体电解质界面膜；

(8) 丰度高，价格易于接受，安全无毒，对环境友好。

考虑到以上多个条件与限制，目前最受青睐的负极材料是碳材料。其中的佼佼者是石墨。理论上，Li+可以轻松地嵌入到石墨层间形成LixC6化合物，但实际上由于碳原子具有4个价层电子的特性，导致石墨层含有不可弥补的一定数量的杂质和缺陷，从而造成石墨的实际比容量只有大约300 mAh g-1。再者，石墨对于电解液的敏感性，会在石墨颗粒外层形成致密的固体电解质中间相，容易造成首次库伦效率低，充放电循环性能不佳的现象[4]。

关于石墨烯的研究获得诺贝尔奖之后，其所展现出来的良好的导电性能，惊人的比表面积，卓越的机械强度与柔韧度，令许多科研工作者投入大量精力与资源来开发石墨烯的应用潜力。将石墨烯与多种传统的电极材料复合可以得到诸多高性能的电极材料，从而克服传统材料的缺陷限制，如石墨烯/SnO2[5]、石墨烯/Fe3O4[6]等等。越来越多的研究发现，选择石墨烯与其他元素进行合适的比例掺杂能够进一步增强其在电化学方面的表现，例如钴、镍等金属元素。随着石墨烯掺杂研究的不断深入，相信锂离子电池性能的突出创新指日可待。