背景
可充电锂电池已经改变了便携式电子设备，是电动汽车的首选技术。它们是使间歇性可再生能源更深入地渗透到电力系统、以实现更可持续发展的关键作用。2019年，三人获诺贝尔化学奖，以表彰他们对锂电池发展的贡献，这项技术彻底改变了我们的生活方式。香港中文大学陆一春团队回顾了锂离子具有里程碑意义的发现，这些发现塑造了现代锂电池，提供启发性的见识，以指导现有困难的突破，并以A retrospective on lithium-ion batteries为题发表在《Nature communication》期刊。
锂电池的基本组成
现代锂电池由两个电极组成，通常是氧化钴锂（LiCoO2）阴极和石墨（C6）阳极，这些电极由浸入非水液体电解质中的多孔隔板隔开，该隔板使用LiPF6溶于碳酸亚乙酯混合物中（EC）和至少一种选自碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸乙基甲基酯（EMC）和许多添加剂的线性碳酸酯。充电过程中，锂离子从LiCoO2中移出，阳极侧的晶格结构形成锂化石墨（LiC6）。在放电期间，这些离子移回到CoO2主体框架，而电子则释放到外部电路。正是这种穿梭过程改变了我们的现代生活。
图1，锂电池的组成
阳极材料的发展
锂金属是最轻的金属，并且具有高比容量（3.86 Ah g-1）和非常低的电极电势（-3.04V），使其成为高电压和高能量的理想阳极材料电池。但是，Li /Li的电化学势位于非水电解质的最低未占据分子轨道（LUMO）之上，从而导致电解质连续还原，除非钝化固体电解质界面（SEI）形成。由于锂的体积变化大和高反应性，SEI易受锂金属表面损坏，使得锂枝晶生长，这可能导致电池短路并着火（图 2a）。
图2：里程碑式的发现塑造了现代锂电池。
阴极材料的发展
阴极材料包括金属氟化物，硫化物或氧化物（图2c）。在电池运行期间，这些阴极材料反应形成具有不同结构和新成分的相。因此，转换电极不能进行多个循环，因为在每个循环期间都会发生键断裂和重整。金属硫属元素化物（MX2）具有分层的结构，并具有充足存储锂离子的空间，他们发现，二硫化钛（TiS2）可以在化学计量范围内嵌入锂离子，同时晶格扩展最小。
电解液材料的发展
电解质的作用是由它的LUMO确定和最高占据分子轨道（HOMO）。通过调整电解质成分来创建稳定的SEI，可以实际应用石墨阳极。最初，由于PC的熔融温度低（-48.8?C）而成为电解液优选。然而，PC基电解质会引起石墨的结构破坏，从而导致循环寿命低。Sanyo’s公司的研究人员成功地在EC基电解质中实现了石墨的电化学锂化，而Dahn报道称EC可以抑制石墨剥离，为锂电池石墨阳极的发展铺平了道路(图2b)。碳酸亚丙酯锂（PC的还原性产品）的弯曲链结构易于在电极表面形成疏松的沉积物，并具有较弱的内聚力。EC倾向于形成具有较高阴离子石墨层间化合物，导致更含氟高的 SEI产品，其能隙足够大，以隔离电子隧穿阳极，使电解质有效分解钝化。从那时起，EC成为锂电池必不可少的溶剂。
结论
这些里程碑式的发现都不是凭空出现的，后期的成功通常取决于先前的知识和进步。WalterRüdorff早在1965 年就观察到了TiS2可以承载锂离子的现象，但是直到1973年，Whittingham才将这种层状二硫化物用作锂电池的阴极。然后，Goodenough着眼于分层氧化物，以设计具有更高电极电势的阴极。同样，在20世纪70年代，石墨嵌入锂离子，但它是不实际的，直到Sanyo’s司的研究人员的工作和Dahn引入共溶剂EC，此举使科学家进一步了解降解机制。对这些突破是机械理解和跨学科研究的重要性。
尽管具有高反应活性和树枝状晶体的问题，但1970-1980年代，使用锂金属阳极是社区中的自然选择，可再充电锂电池是商业化必要的步骤。这些发展鼓励人们持开放态度，敢于挑战电池设计中颠覆性创新的现有智慧。锂电池的影响范围将超越便携式电子产品，甚至影响到社会可持续发展的领域。为了满足对电动化运输和大规模储能解决方案不断增长的需求，需不断发现新材料的发现和新的化学方法。
参考链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-16259-9
