鋰離子電池的組成部分有正負(fù)極材料，電解液及隔膜等，但影響其主要性能如比容量、循環(huán)壽命及安全性等最重要的因素還是電極材料。
1 ?鋰離子電池的正極材科
鋰電池正極材料的發(fā)展大致過程是從最早期的過渡金屬硫化物TiS2，至氧化鈷鋰LiC0O2，氧化鎳鋰LiNiO2，氧化錳鋰LiMnO4，再到磷酸鐵鋰LiFePO4，及 二元系，三元系材料，整體上來看，理想的鋰離子電池正極材料需要滿足
以下幾個主要的條件：
1)高電位；
2)鋰離子嵌入脫出可逆；
3)高電子和離子導(dǎo)電率；
4)晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；
5)環(huán)境友好；
1.1 ?氧化鈷鋰LiC0O2
氧化鈷鋰LiC0O2作為鋰離子電池正極材料于1 980被Goodenough等所報道。其制備方法簡單，充放電穩(wěn)定，循環(huán)性能優(yōu)異，成為了首個被sony公司商業(yè)化應(yīng)用的正極材料。LiC0O2的晶體構(gòu)型屬于a-NaFeO2型，具有層狀結(jié)構(gòu)，其中的氧原子以立方緊密堆積分布。LiC0O2的理論儲鋰比容量為270 mAh/g，但是在實際的使用中僅約有50％的理論比容量即130 mAh/g左右被釋放及利用。主要的原因是在充放電過程中，當(dāng)鋰離子完全脫出，C0O2中氧原子會畸變?yōu)榱骄o密堆積分布，致使LiC0O2晶型結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變從而失活。氧化鈷鋰LixC0O2正極材料的導(dǎo)電性變化也是影響其性能的一個較重要因素。隨著鋰離子嵌入脫出及鋰離子濃度的變化，氧化鈷鋰LixC0O2導(dǎo)電性也會發(fā)生較大的變化。當(dāng)X=0.6時，LixC0O2具備典型的金屬性；而當(dāng)X=1.1時，LixC0O2又具有典型的半導(dǎo)體特性。此外，由于鈷資源稀少造成制備成本較昂貴，無法大規(guī)模的應(yīng)用于大型鋰離子電池如電動車或者混合動力汽車上。因而其他類型的，較為廉價的正極材料，如氧化鎳鋰LiNiO2，氧化錳鋰LiMnO2也都受到了廣泛的研究和應(yīng)用。
1.2 ?氧化鎳鋰LiNiO2
氧化鎳鋰LiNiO2與氧化鈷鋰LiC0O2相似，也具有層狀結(jié)構(gòu)，最大儲鋰容量為150 mAh／g，而且價格比鈷低。但LiNiO2在應(yīng)用中也存一些問題，比如：標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)計量的LiNi02較難制備，一般多存在Li1-yNi1+yO2形式。在應(yīng)用中，較多的鎳原子的存在會使NiO2層扣住在一起，導(dǎo)致鋰離子的擴散受阻，從而影響電極的功率性能：另一方面，鋰離子含量較低，使化合物中氧的平衡分壓較大，致使與有機電解液發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生較大的安全問題。
1.3 ?氧化鋰錳
由于猛資源較多，氧化鋰錳電極材料以價格便宜而受到關(guān)注。氧化鋰錳有層狀LiMnO2以及尖晶石狀LiMn2O4。在應(yīng)用上，尖晶石型錳酸鋰LiMn2O4比層狀的氧化錳鋰LiMnO2具有更優(yōu)異的儲鋰性能。尖晶石型錳酸鋰LiMn2O4中的Mn2O4是八面體與四面體共面的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中氧離子是以立方緊密堆積分布，25％的錳原子分布在與氧原子的相鄰層，而其他75％的Mn原子則分布于六方緊密堆積的氧離子層間。于是，在鋰離子脫出狀態(tài)下，Mn原子可以保持氧離子本身所形成的立方緊密堆積結(jié)構(gòu)，使晶型不發(fā)生畸變。另外，尖晶石型的錳酸鋰LiMn2O4相比于層狀的氧化錳鋰的不同之處還在于放電的過程中，LiMn2O4會表現(xiàn)出兩個較明顯的放電電壓平臺，分別位于4 V和3 V。通常來講，3 V左右的電壓平臺對儲鋰影響不利，只有4V的電壓平臺所釋放的比容量被有效的使用，而造成這種現(xiàn)象的原因也在于六方緊密堆積晶格參數(shù)的畸變。即對于LixMn2O4，當(dāng)鋰離子的嵌入濃度較小x<1時(對應(yīng)電壓平臺為4 V)，鋰離子的嵌入不會影響氧化物原子堆積方式，其體積膨脹較小，尖晶石結(jié)構(gòu)得以保存；當(dāng)鋰離子的濃度增大，即X>1時(對應(yīng)電壓平臺為3 V)，這時Mn4+離子被還原為Mn3+，氧化錳發(fā)生Jahn．Teller形變，導(dǎo)致晶格畸變，致使循環(huán)比容量下降。摻雜Al，F(xiàn)，Mn等其他離子，可以有效的改善其晶格畸變問題，使在循環(huán)中保持尖晶石構(gòu)型，從而獲得穩(wěn)定的循環(huán)性能。
1.4 ?磷酸鐵鋰LiFePO4
自Padhi等128J于1997年發(fā)現(xiàn)具有電化學(xué)活性的正交晶系(orthorhombic)橄欖石型(olivine)的LiFePO4(圖1)，該材料便以原料廣泛，價格低廉，環(huán)境友好，性能優(yōu)異等受到了較大的關(guān)注。LiFePO4的放電電壓平臺在3.4 V，數(shù)百次循環(huán)幾乎沒有衰減，可逆容量為170 AhK/g，高于氧化鈷鋰和氧化鎳鋰。然而，橄欖石型的磷酸鐵鋰導(dǎo)電性較差，導(dǎo)電率約為10。9 S/cm，因而鋰離子在材料界面?zhèn)鬏斒茏瑁蠖鄶?shù)情況下，它的理論比容量只有在較小的電流密度下才能完全釋放。Ravet等利用較高導(dǎo)電性的碳材料在磷酸鐵鋰表面包覆上，從而使其性能能到較明顯提高。
圖1 ?正變晶系一硫酸鐵鋰的晶體結(jié)構(gòu)示意圖
正極材料的發(fā)展主要是圍繞著材料的晶型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，材料整體的電子及離子導(dǎo)電性等方面展開，通過對LiM02化臺物晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計及改造，使材料的導(dǎo)電性及穩(wěn)定性均得到很大的提高，從而使鋰離子嵌入脫出后晶型不發(fā)生畸變，最終獲得較優(yōu)異的電化學(xué)性能。
2 ?鋰離子電池的負(fù)極材料
早期的鋰離子電池負(fù)極材料采用的是純金屬鋰。由于金屬鋰在充放電中出現(xiàn)了枝晶生長等安全問題．金屬鋰電極逐漸被鋰合金如L1-Al及Li-si等代替。鋰合金在充放電中，臺金化及去臺金化過程也會使材料產(chǎn)生較大的體積變化，引起容量大幅衰減。直到LiM02(M-Co，Ni，Mn等)等高電位正極材料出現(xiàn)，新型的負(fù)極材料可以不再成為提供鋰源的電極，其種類便出現(xiàn)了多樣性的發(fā)展。石墨類碳材料作為可嵌鋰的負(fù)極材料，具有高導(dǎo)電性，高庫倫效率，低體積效應(yīng)，長壽命性能的優(yōu)點，因而被廣泛的應(yīng)用于商業(yè)鋰離子電池中。
近年來，由于石墨類材料比容量的限制(372mAh／g，LiC6)，無法滿足一些大功率及高倍率性能要求，于是一系列高容量負(fù)極材料，如硅Sil48-531，金屬及金屬氧化物如Snl，SnO，F(xiàn)e2O3， CuO，Sb2O3，TiO2等不斷涌現(xiàn)。總體而言，鋰離子電池理想負(fù)極材料主要具備以下幾個特點：
1)電位低；
2)高導(dǎo)電性：
3)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定：
4)環(huán)境友好：
鋰離子在石墨類材料中也是通過嵌入脫出的插層機制來提供儲鋰容量的。圖2展示了鋰離子在石墨中的插層機理：當(dāng)鋰離子插入石墨層間后，6個碳原子和一個鋰離子成鍵，鋰離子之間問距為0.43 nm，而當(dāng)鋰離子充滿石墨層間時，石墨層的(002)晶面間距變大至0.37 nm。
圖2 ?鋰離子在石墨層間的插層機理
自1985年Kroto發(fā)現(xiàn)炭家族中C60，炭負(fù)極材料進入了納米化的研究。2004年Geim等制備了單片層的石墨，并稱之為石墨烯。石墨烯作為石墨家族的材料之一，被認(rèn)為能夠最大限度的發(fā)揮其雙面儲鋰機制，使儲鋰容量變?yōu)槠胀ㄊ惒牧系膬杀都s744 mAh/g。然而石墨烯在儲鋰過程中受本身制備方法的不同，材料結(jié)構(gòu)缺陷的種類，表面官能團的多少等，其儲鋰機制較為復(fù)雜且儲鋰容量相差較大。將石墨烯與其他類材料復(fù)合(如金屬或者金屬氧化物Sn，Co，Mn，SnO2，TiO2等)或者在石墨烯的碳片層上摻雜其他元素等均可以獲得較高的儲鋰容量及優(yōu)異的循環(huán)性能。
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