研究背景
电化学能源因为它的清洁与高效率，被看做最有吸引力的新能源之一。电化学能源是将化学能直接转化为电能的一种装置，有三个主要类型的电化学能源，分别为：电化学电容器、燃料电池和电池。电化学电容器是一种电荷存储装置，其电能存储在双电层之间，而双电层形成于电解液溶液和电子导体之间，可以快速地进行充放电。燃料电池是一种电化学能转换装置，只要向装置持续不断地添加燃料和氧化剂就可以产生连续不断的电流。然而电池是一种电化学能存储和转换装置。它储存电能在化学材料中，其活性物质的化学能通过氧化还原反应直接转化为电能。综合比较各大化学电源的优势，锂离子电池以其轻便，能量密度高，性能稳定，成为目前能源汽车的首选。虽然锂离子电池已处于快速发展的阶段，但还有一些关键问题需要解决。其中，开发性能更稳定，能量密度更高，充放电速率更快，使用的温度范围更宽，安全性能更好的锂离子电池是产业发展的重要趋势。
锂离子电池的充放电过程是锂离子通过电解液往返于电极之间，如图所示。充电过程中，锂离子从正极脱出，经由电解液嵌入到负极晶格中，正极为贫锂状态，负极为富锂状态；放电时，情况相反。充、放电过程中，伴随着电子在外电路的传输。正是由于这种充放电工作机理，锂离子电池被形象的称为“摇椅式电池”。
典型研究
锂离子电池的基本组成：正极、负极、电解液、隔膜、电池外壳。目前，锂离子电池的研究主要集中在电极材料的改性和机理研究方面。发展高容量和倍率性能的锂离子电池正负极材料，并且针对不同的电池需求，设计出不同的正负极材料，满足市场需求。通过改性研究，尽可能的提高正极材料的容量和电压、负极材料的容量、化学适配性和稳定性等是当前研究的重点。
1 正极材料：从结构上划分，传统的正极材料包括层状化合物LiMO2 (M = Co, Ni, Mn)、尖晶石状化合物LiM2O4(M = Mn)、橄榄石状LiMPO4(M = Fe, Mn, Ni, Co)。大多数科研工作者的研究都集中在这几类材料上。但是具有新结构的材料如硅酸盐、硼酸盐近些年来也获得越来越多的关注。
2. 负极材料：作为储锂的主体，负极材料在锂离子电池中起着很重要的作用。负极材料主要有金属锂、碳材料和非碳材料。金属锂作为比容量最高的负极材料，在锂电池发展早期被使用。但充电过程中，负极表面形成锂枝晶，造成安全隐患。碳材料的出现有效的解决了这一问题。目前，锂离子电池负极材料研究主要集中在如下几类：碳基、钛系、过渡金属、硅系、锡系等，他们各有特点，在不同应用需求的锂离子电池中，发挥其某一方面的优点。
碳材料：碳材料有高的比容量、低的电极电位(<0.6V vs Li+/Li)、长的循环寿命、高的循环效率、较好的安全性能。碳材料可以分为：石墨化碳（天然石墨、人工石墨）、无定型碳（易石墨化炭、难石墨化炭）。但石墨化碳材料由于对电解液的敏感性，在充放电过程中石墨层容易解离；大多数无定形碳材料的循环性能不好。对碳材料进行改性以提高其电化学性能。
非碳材料：目前非碳负极材料包括金属氧化物材料（TiO2、MnO2 等）、纳米合金材料（硅基、锡基等）、复合负极材料、尖晶石型Li4Ti5O12。硅基负极材料主要有单质硅、硅氧化物和金属氧化物。目前主要的锡基负极材料有金属锡单质、锡基氧化物和锡基合金。金属氧化物负极材料有TiO2、MnO2、Fe3O4 等。这些材料在使用过程面临体积膨胀，循环稳定性低等缺点。针对这些材料，目前的主要解决方法是对材料进行改性，例如硅、锡材料的改性：制备相应的纳米尺寸材料，氧化物、合金材料或者复合材料等。
3. 复合材料：为提高锂电池的电化学性能，研究正极复合材料和负极复合材料是目前研究的一个重点。如石墨烯，碳纳米管，碳微球常和纳米材料形成复合物，具有良好的导电网络以提高电极的导电性。为改善材料性能提供新的视野和方法。
设备推荐
锂离子电池材料性能的测试采用EC701L锂离子电池分析系统，以测量电流或者电位变化为主。采用AES-4TH对测试体系的环境进行控制，能避免外界环境（温度、湿度等）对体系的干扰，对研究锂电池的温度特性提供了方便，同时也提高了测量的重复性。
1. 测量设备
EC701L锂离子电池分析系统：提供电流-电位分析、电位-时间分析、阻抗分析等。设备性能稳定，测量精度高。可以采用三电级或者两电极进行测试。
2. 环境控制设备
温湿度测试平台：为材料或器件研究搭建一个温度、湿度、压强、气氛可控的测试环境，系统搭载精密测量模块，可用于测量电阻、电压、电流信号，以全面表征材料的电学信号变化，通过整体的电路、线路、腔体的屏蔽抗干扰处理，实现了极低信号的稳定测试。该设备用于为测试环境提供稳定的工作环境，确保实验的可重复性。
3. 配件耗材
集流体材料、电极、组装模具及锂电池外壳等。
典型结果
循环伏安技术 (CV)：目前电化学实验室中最常用的实验手段之一，这是因为CV法具有实验设备简单、检测灵敏度高、测定时间短、获得的信息丰富、理论模型成熟等优点。CV可以探测物质的电化学性、测量物质的氧化还原电位、考察电化学反应的可逆性和反应机理。CV是线性扫描伏安法的一种，其方法原理如下所述：根据实验要求选择某一电位为初始电位，控制研究电极的电位按指定的方向和速度随时间线性变化，当电极电位扫描到某一个电位后再以相同的速度逆向扫描到初始电位，同时测量极化电流随电极电位的变化关系。在CV技术中，扫描速度对于所获得的信号有非常大的影响，利用峰电流与扫描速度关系可获得一些动力学信息，如果扫描速度过快，那么双层电容的充电电流和溶液的欧姆电阻的影响会明显增大，对电化学信息的获取有不利的影响，如果扫描速度太慢，则由于电流的降低，检测的灵敏度会降低，但可以获得准稳态体系，为了研究锂离子电池体系的稳态过程，应使用比较慢的扫描速度。
恒电流充放电：通过半电池的充放电测试，可以确定电极材料的充放电曲线、容量、倍率特性、开路和极化电位等基本电化学特性参数。电池的恒电流充放电测试，主要考察锂离子电池正极材料充电和放电的电压-比容量关系，以及它们的循环性能。由电势-时间曲线，可以转变为电势-比容量曲线。用恒电流方式对电池进行充放电，充放电的电流密度视实验需要不同而定。充放电实验是检测电极材料充放电容量、充放电特性、循环性能的最常用实验。直接影响充放电性能的因素有很多，比如充放电测试方法，电流大小，温度等。根据不同电池类型，设定电压的上限和下限，电池充放电终止电压不同。
电化学交流阻抗谱技术(EIS)：交流阻抗法(AC Impedance/EIS)是最基本的电化学研究方法之一，在涉及表面反应行为的研究中具有重要作用。交流阻抗是施加一个小振幅(≤5mV)的交流(一般为正弦波)电压或电流信号，使电极电位在平衡电极电位附近微扰，在达到稳定状态后，测量其响应电流或电压信号的振幅，依次计算出电极的复阻抗。然后根据等效电路，通过阻抗谱的分析和参数拟合，求出电极反应的动力学参数。当采用不同频率的激励信号时，这一方法还能提供丰富的有关电极反应的机理信息，如欧姆电阻、吸脱附、电化学反应、表面膜以及电极过程动力学参数等。
对于锂离子电池体系而言，由于电极与电解液之间的相互作用，电解液可能在电极表面发生氧化或者还原反应，形成钝化膜，造成电极界面阻抗的增大，导致电池性能的衰退。利用电化学阻抗谱，可以跟踪界面阻抗随实验条件的变化，有助于了解电极/电解液界面的物理性质及所发生的电化学反应。此外，电化学阻抗谱是研究SEI膜的有力工具，它可以明确得到SEI膜的形成、生长以及消失的过程，因为它们分别对应于电化学阻抗谱高频区域半圆的出现、增大和减小。通过对电化学阻抗谱Nyquist图的模拟，可以找到一种合适的等效电路，进一步从物理模型来深刻描述SEI膜的结构特征与电化学行为。研究不同循环次数、不同贮存条件下电极的EIS，可以得到有关SEI膜生长、变质和破坏的情况。
循环稳定性：一般可以通过在固定的扫描速度下，连续做多次的循环伏安测试，计算循环前后比容量的差异来判断活性材料稳定性；也可以通过在一定的电流密度下，连续多次的恒电流充放电测试来反映。通过处理循环数据，得到容量保持率和循环次数的关系曲线，进而直观的显示出活性材料的稳定性。
XRD：主要用来表征晶体的结构、相组成等物理特性。每一种晶体都有自己特定的晶体结构。XRD测试原理是将一束单色X射线照射到样品上，根据反射X射线的谱线特征，可以判断样品的相结构，并通过相关软件分析得到样品的晶格参数。
扫描电子显微镜（SEM）：对材料进行微观组织、形貌以及成份分析的有力工具
透射电子显微镜（TEM）：是采用透过薄膜样品的电子束成像来显示样品内部组织形态与结构的：因此它可以在观察样品微观组织形态的同时，对所观察的区域进行晶体结构鉴定(同位分析)。通过TEM可以考察颗粒大小及团聚情况，其分辨率可达10-1nm，放大倍数可达106倍。
X射线光电子能谱分析(XPS)：利用能量较低的X射线源作为激发源，通过分析样品发射出来的具有特征能量的电子，实现分析样品化学成分目的的一种表面分析技术。它不仅能探测表面的化学组成，而且可以确定各元素的化学状态。
N2吸附-脱附：确定材料的比表面积、孔体积和孔径分布。
参考文献
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Anode Material of Li-ion Batteries, Solid State Ion., 2016, 294, 6-14.
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Z.H. Yu, L. Wang, L.H. Jiang, Design and Synthesis of N-doped Grapheme Sheets Loaded with Li4Ti5O12 Nanocrystals as Advanced Anode Material for Li-ion Batteries, Ceram. Int., 2016, 42, 16031-16039.
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