1. 新型鋰電池負(fù)極材料

隨著純電動(dòng)汽車（EV）、混合動(dòng)力汽車（HEV）以及高端儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)鋰離子電池的迫切需求， 開發(fā)具有高比容量、高安全性以及循環(huán)壽命長的負(fù)極材料成為該領(lǐng)域的主流方向。目前商業(yè)化應(yīng)用的負(fù)極材料仍以石墨類碳素材料為主， 最大理論比容量只有372mAh/g，難以滿足新一代移動(dòng)通訊、移動(dòng)電器以及電動(dòng)汽車對(duì)于鋰離子電池容量提出的更高要求。相對(duì)石墨類負(fù)極材料而言， 硅基、錫基、過渡金屬氧化物（ 如NiO、Co3O4、V2O5） 等新型負(fù)極材料具有更高的理論嵌鋰容量，成為近年來的開發(fā)熱點(diǎn)。

1.1   新型硅負(fù)極材料

Si和Li可形成Li12Si7、Li7Si3、Li13Si4、Li22Si5相態(tài)的Li-Si合金，其理論容量最高可達(dá)到4200mAh/g （是碳素負(fù)極材料的近11倍），在目前已知元素中最高。在電池充放電過程中，鋰離子會(huì)嵌入負(fù)極， 而L-Si負(fù)極在嵌鋰過程中不會(huì)發(fā)生溶劑分子隨鋰離子共同嵌入的問題，從而避免了負(fù)極材料結(jié)構(gòu)的破壞，循環(huán)穩(wěn)定性和庫侖效率的降低，因此是理想的負(fù)極材料。但是Li在電化學(xué)嵌入過程中會(huì)產(chǎn)生較大的體積變化，比如Li22Si5平均每個(gè)硅原子結(jié)合4.4個(gè)鋰原子后， 材料的體積變化達(dá)到300%以上。巨大的體積效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)械作用力會(huì)使電極活性物質(zhì)與集流體之間逐漸脫開，并且硅活性相自身也會(huì)粉化，從而喪失與集流體的電接觸，造成電極循環(huán)性能迅速下降。針對(duì)這一問題，目前已探索出了納米化、無定型化、合金化以及復(fù)合化等多種方法，以從根本上解決減少材料體積的膨脹倍數(shù)。

目前日產(chǎn)汽車、NEC、道康寧、豐田中央研究所等在Si氧化物類以及層狀聚硅烷（Si6H6） 負(fù)極材料方面取得了進(jìn)展，比如，豐田中央研究所利用Si6H6制成的新型電池負(fù)極，充電容量可達(dá)到1170mAh/g，并且體積膨脹率較小。在消費(fèi)類鋰離子充電電池領(lǐng)域，日立麥克賽爾的采用硅作為負(fù)極的電池實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化（與石墨材料混配），2010年夏季已經(jīng)開始面向手機(jī)用戶實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。

1.2   LTO負(fù)極材料

普通鋰離子電池在過充情況下，電解液會(huì)與嵌鋰碳負(fù)極發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)并大量放熱， 引起電池爆炸失控；同時(shí)，鋰離子在碳基電極內(nèi)部的擴(kuò)散系數(shù)偏小，且其嵌鋰電位較低（石墨的對(duì)鋰電位僅為0.1V左右），鋰易于在電極表面沉積，形成鋰枝晶，導(dǎo)致電池不可逆容量和安全隱患增加。具有尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰（Li4Ti5O12） 由于其在嵌脫鋰過程中晶格常數(shù)幾乎不發(fā)生變化， 被稱為“零應(yīng)變” 材料， 其理論嵌鋰電位為1.55 V（vs.Li+/Li）， 具有安全性高、充放電性能好、循環(huán)性能優(yōu)良、充放電電壓平臺(tái)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)， 作為鋰離子動(dòng)力電池負(fù)極材料， 有望解決鋰離子電池的安全性能， 具有良好發(fā)展和應(yīng)用前景。

雖然LTO的比容量僅為175mAh/g，但通過金屬離子摻雜、碳包覆、碳和金屬復(fù)合以及制備納米顆粒等方式（例如與硅類材料等混合，或添加其他元素進(jìn)行改善），有望實(shí)現(xiàn)高容量與高安全性的兼顧。目前，東芝公司開始銷售使用LTO的鋰離子充電電池，商品名為“SCiB”， 并已經(jīng)被三菱汽車等汽車廠家選擇使用。另一方面，豐田汽車報(bào)告稱，在N2 /NH3環(huán)境下同時(shí)把LTO晶體結(jié)構(gòu)中的氧置換成氮能夠提高導(dǎo)電性，電導(dǎo)率從不足10-7S/cm提高5個(gè)數(shù)量級(jí)達(dá)到2×10-2S/cm。國內(nèi)珠海銀通集團(tuán)在收購美國奧鈦公司后，經(jīng)過兩年多時(shí)間的消化吸收，已掌握幾乎全部鈦酸鋰電池的核心工藝，目前該公司已在珠海實(shí)現(xiàn)鈦酸鋰電池的量產(chǎn)， 年生產(chǎn)能力為1億安時(shí)/年。