二氧化钼多级纳米结构的制备及其性能研究(3)

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1.2 锂离子电池概述

1.2.1 锂离子电池简介

锂离子电池(Lithium Ion Battery，简称LIB) 是继镍镉电池、镍氢电池之后的第三代小型蓄电池。由于其具有工作电压高、比容量大、自放电小、循环寿命长、放电电位曲线平稳、无记忆、无污染等突出的优点，已成为当前研究热点。锂离子电池自1992年由日本Sony公司商业化开始便迅速发展。2000年以前世界上的锂离子电池产业基本由日本独霸。近年来，随着中国和韩国的崛起，日本一枝独秀的局面被打破。近年来，每年全球锂离子电池市场规模呈100亿美元增长。

1.2.2 锂离子电池的工作原理

二次锂离子电池实质上是一种锂离子浓差电池，它依靠锂离子穿过电解液、隔膜和电解液在正负极材料之间嵌入和脱出进而达到充放电的目的。电池充电时，锂离子从正极材料中脱出，进入电解液穿过隔膜再经过电解液向负极材料移动，然后嵌入负极材料的层间或晶格中，此时正极处于贫锂状态，负极处于富锂状态；反之，电池放电时，锂离子从负极材料的层间或晶格中脱出，经过电解液、隔膜和电解液再嵌入正极材料的晶格中[2]。同时，为了保持电荷平衡，相同数量的电子在锂离子嵌入和脱出的过程中经过外电路传递，电子的得失使正极和负极发生相应的氧化和还原反应。由于电池在充放电过程中是通过锂离子在正负极之间的来回移动实现的，而且电池中没有锂单质的存在，因此被称作“锂离子电池(lithium-ion batteries)”。正常情况下，锂离子在结构稳定的正负极材料之间嵌入和脱出，正负极材料在得失锂离子时，结构变化比较小，因此锂离子电池具有可逆性好，循环寿命长特点。

1.3 过渡金属氧化物简介

碳材料因其自身材料结构和储锂方式的限制，它的比容量和功率密度已经无法满足当前锂离子电池技术发展的需求[14]。为了解决这个问题，开发具有高比容量和优异倍率性能的新型负极材料，是锂离子电池研究的热点和方向。相比于其他材料，过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料不仅来源广泛、成本相对较低、而且拥有更高的理论电化学容量和良好的循环性能，因此备受关注。

过渡金属氧化物因其独特物理化学性质，可以和锂发生氧化还原反应而实现储锂。当过渡金属氧化物作为锂离子电池负极时，它们在充放电过程中的储锂机理可分为三类：锂合金反应机制、嵌入和脱出反应机制和转换反应机制。

锂合金反应机制：MxOy+2yLi++2ye-→xM+yLi2O

M + zLi+ +ze-↔LizM

嵌入反应机制： MxOy+yLi++ye-↔LiyMOx

转换反应机制： MxOy+2yLi++2ye-↔xM+yLi2O

锂合金反应机制中，金属氧化物和锂离子通过不可逆反应首先生成金属单质和氧化锂，之后通过金属单质与锂离子的可逆反应实现锂离子的嵌入和脱出，实质上是通过金属与锂离子形成合金来实现储锂。在嵌入反应机制中，锂离子通过占据金属氧化物的空位来实现储锂，由于空位的个数有限，这种反应机制对应的材料比容量很低。转换反应机制通过金属氧化物和锂离子发生可逆反应，生成金属单质和氧化锂来实现储锂过程。这种反应机制能够实现更多锂离子的嵌入和脱出，从而有效提高负极材料的比容量。但是，当尺寸在微米级时，材料只能进行嵌入反应机制，实现少数锂离子的嵌入和脱出，材料的比容量很小。只有将材料尺寸减小到纳米级时，才能实现转换反应机制储存更多的锂离子，提高材料的理论比容量。