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近些年来,石油危机和全球变暖所带来的威胁持续不断地给已经过度扩展的社会能源基础设施着越来越大的压力。为了应对石油储量日益减少和全球变暖所带来的危机,建立一个依靠可持续能源运转的低碳社会已成为全球性话题。随着21世纪微电子技术的发展,小型化设备日益增多,对电源提出了很高的要求。现代社会交通、通讯和信息产业的迅猛发展迫切要求建立一个能够高效利用各种替代能源的电能储存体系。锂离子电池作为一个有效的可持续能量存储体系,具有体积小、质量轻、电容量大、电压高、安全无污染等优点,已经成为当今国际公认的理想化学能源,已经广泛用于手机、笔记本电脑、电动工具以及移动通讯工具等电子产品中,未来有望在电动汽车、电动自行车、航天航空、军事移动通信工具和设备等领域实现大规模应用。现代社会中最具能耗性的活动就是交通出行,日益扩大的电动汽车发展将会给锂离子电池提供更大的发展空间。近些年来我国和世界主要发达国家纷纷出台了很多扶持新能源汽车的政策,新能源汽车等战略性新兴产业的发展规划,将会进一步为新一代大规模锂离子电池提供广阔的应用前景。
能源与环境是21世纪面临的两个严峻的问题。开发清洁可再生新能源成为当今世界重要研究领域之一。能源的存储与转化在充分利用地球资源,改善人类生存环境等方面发挥重要作用。以电池为代表的化学电源作为能源存储与转化的一种重要方式在人们日常生活生产中得到广泛应用。近些年来,电子信息产业的蓬勃发展推动了对小型分立的移动电源需求的快速增长,此外,电动汽车因成为汽油驱动汽车的潜在代替者而倍受关注。目前,锂离子电池因其工作电压高、能量密度大、自放电率低、对环境友好等优势而受到全世界的广泛关注,在各领域不断取代铅酸蓄电池、镍镉电池和镍氢电池并进一步向轻,小,薄的方向发展。
最早使用金属锂作为阳极材料主要是基于它的高正电性(–3.04 V vs.标准H2电极)和轻量性(当量M=6.94g mol-1,比重ρ=0.53g cm-3),能够用其设计具有高能量密度的储能体系。
1800年伏打电堆的发明标志着电池的诞生[1],此时的电池是以铜片、锌片交叠而成,中间以浸透盐水的毛毡隔开；1859年普朗特发明了铅酸电池；1865年勒克朗谢发明了锌/二氧化锰湿电池,后改进成锌/锰干电池；1899-1901年,Ni/Cd和Ni/Fe碱性电池被开发成功。后来,由于经济的飞速发展以及战争的需要,电池也进入了高速发展时期。高能量密度、高功率、成本低廉、环境友好的新型电池是各方的研究重点。
使用金属锂作为阳极材料的优点最早是在二十世纪七十年代提出来的,当时是使用金属锂组装原电池[2]。由于其高的比容量和可变的放电倍率,随即便用于手表、计算器以及可植入医疗设备中使用。就在同一个时期,人们发现多种无机材料可以与碱金属发生可逆反应。这些材料,即嵌入式化合物,的发现对高能量可充电锂离子电池的发展具有非常重要的意义。到了1972年,电化学嵌入及其潜在的用途得到了明确的定义,但是这些信息只是在一些会刊有所报道,并有得到大范围的传播[3]。
20世纪70年代锂离子电池的发展处于萌芽时期,当时主要研究的是以金属锂及其合金为负极的锂离子二次电池,由于这种电池在使用过程中的安全问题,至今仍未商业化。1980年电池大师Goodenough等提出以钴酸锂(LiCOO2)为正极材料的锂离子电池,此为锂离子电池的雏形。1990年日本Sony公司率先开发出以钻酸锂(LiCOO2)为正极材料,以C为负极材料的锂离子电池,并在1991年实现商业化。锂离子电池相比较镍氢和镍镉电池工作电压高(3.6V左右)、体积小、比能量大、寿命长、放电平稳等优点。