【導(dǎo)讀】鋰離子電池的輸出電壓等于其正極電壓和負(fù)極電壓的差值，所以，鋰離子電池負(fù)極的脫嵌鋰電壓決定了電池的輸出電壓（至少一半），負(fù)極工作電壓越低，電池的工作電壓就越高。
1. 負(fù)極重要在哪里？
鋰離子電池負(fù)極重要性體現(xiàn)在哪里？鋰離子電池的輸出電壓等于其正極電壓和負(fù)極電壓的差值，所以，鋰離子電池負(fù)極的脫嵌鋰電壓決定了電池的輸出電壓（至少一半），負(fù)極工作電壓越低，電池的工作電壓就越高。
電池比容量由正極比容量和負(fù)極比容量共同決定，負(fù)極比容量至少在感覺上決定了電池比容量的一半。
電池實(shí)際可利用容量還和負(fù)極脫鋰電壓平臺傾斜程度有關(guān)，脫鋰電壓平臺越平，負(fù)極可利用容量就越高，電池的比容量也就越高。
假如正極容量為P mAh/g，負(fù)極容量為Q mAh/g，電池的理論比容量x滿足下式
2. 質(zhì)量比能量和電壓之間的妥協(xié)
嚴(yán)格講，這種妥協(xié)不包括鋰金屬。鋰金屬工作電壓0V，理論容量3862mAh/g，實(shí)際容量由活性物質(zhì)利用率決定。
為什么要妥協(xié)？一般講，現(xiàn)在的負(fù)極候選材料（不包括金屬鋰）具有一個(gè)基本特點(diǎn)就是容量越大活性電極材料，其脫鋰電壓平臺（或者平均值）越高，例如，石墨類碳材料平均脫鋰電位為0.15V，實(shí)際容量為350mAh/g；Sn負(fù)極平均脫鋰電位為0.5V，理論容量為990mAh/g；Si負(fù)極平均脫鋰電位為0.45V，理論容量為4200mAh/g。Sn和Si的實(shí)際可利用容量，還不確定，最終由使用條件決定。
電池能量密度和比特性是平均工作電壓(正負(fù)極電壓差)與質(zhì)量比容量（或者體積比容量）的乘積決定，在以Si或者Sn替代碳基材料時(shí)，電池比容量增大量是否能彌補(bǔ)電池工作電壓的降低，是需要考慮的一個(gè)重要因素。一個(gè)簡單的例子說明，假如正極為磷酸鐵鋰，其工作電壓以3.45V計(jì)，容量以160mAh/g計(jì)；當(dāng)與石墨碳(以0.15V，350mAh/g實(shí)際容量計(jì))匹配時(shí)，1g磷酸鐵鋰匹配0.457g石墨碳，全電池理論比能量為(3.45-0.15)V*160mAh/1.457g=362.3mWh/g。
1g磷酸鐵鋰與Si負(fù)極匹配，Si負(fù)極按照0.45V和4200mAh/g計(jì)算，匹配后的全電池比能量為(3.45-0.45)V*160mAh/1.038g=462mWh/g。明顯的，使用Si負(fù)極替代石墨碳負(fù)極以后，其容量增長可以彌補(bǔ)因?yàn)槠涿撲囯妷荷邔?dǎo)致的電池電壓下降帶來的影響。當(dāng)然，這是理論的考慮，因?yàn)镾i負(fù)極實(shí)際容量不可能達(dá)到其理論值。假設(shè)Si負(fù)極實(shí)際容量為p，要滿足全電池比能量大于362.3mWh/g的條件，滿足的關(guān)系式是
當(dāng)然，上式還是做了一點(diǎn)簡化，未考慮Si負(fù)極電壓與容量的關(guān)系，但是可以說明我們目前要討論的目的。計(jì)算可得p至少要492.5mAh/g，換句話說，Si負(fù)極的實(shí)際容量要大于492.5mAh/g才能保證全電池的質(zhì)量比特性不變差(和磷酸鐵鋰/石墨碳體系相比)。高容量C-Si復(fù)合負(fù)極材料的開發(fā)，也可以借鑒上述討論，粗略講，C-Si復(fù)合負(fù)極在實(shí)際應(yīng)用時(shí)其中的Si部分貢獻(xiàn)的容量不能小于492.5mAh/g，否則就沒有任何意義了。
這就是負(fù)極脫鋰電壓升高和可逆容量增大兩個(gè)參數(shù)之間的妥協(xié)關(guān)系。正因?yàn)檫@兩個(gè)參數(shù)之間存在妥協(xié)關(guān)系，這里就直接忽略了鈦酸鋰、氮化物，因?yàn)槎叩碾妷浩脚_實(shí)在是高，高得無法容忍。
3. 復(fù)合負(fù)極材料中的高鋰化態(tài)
目前看來，單獨(dú)以Si、Sn等完全替代石墨碳負(fù)極的可能性還不大；折衷方案是Si/C或者Sn/C復(fù)合負(fù)極的使用，廣義的就是M/C復(fù)合負(fù)極。
M/C復(fù)合負(fù)極的一個(gè)最大問題是高鋰化態(tài)的存在。高鋰化態(tài)是必然存在的，這是因?yàn)镸的平均脫鋰電壓高于石墨碳的緣故。高鋰化態(tài)是針對M而言的，M的高鋰化態(tài)會(huì)導(dǎo)致一些意想不到的難題。新制備的M/C復(fù)合物產(chǎn)物是無鋰態(tài)，從無鋰態(tài)到M的高鋰化態(tài)，伴隨著體積的劇烈變化，鋰化后還是否保持著最初的M和C的微觀相互關(guān)系，對于循環(huán)穩(wěn)定性十分重要；此外，還存在首次充放電庫倫效率嚴(yán)重低的問題，也許這可以采用預(yù)循環(huán)來解決，但是預(yù)循環(huán)措施會(huì)伴隨著新的電池制造工藝開發(fā)。
4. 負(fù)極研究誤區(qū)
對于鋰離子電池，其電壓不可能工作到0V；其比特性由正負(fù)極電壓差、正負(fù)極容量共同確定；這在本征上決定了一些電壓平臺不明顯，或者即使明顯但是高于1.0V的甚至是要從3.0V一直工作到0.0V的氧化物，不具有實(shí)際應(yīng)用的可能。因此，目前一些關(guān)于具有上述特征的氧化物脫嵌鋰的行為的研究，沒有任何意義，比如一些關(guān)于氧化銅、氧化鐵等材料的脫嵌鋰行為研究，無任何意義。
推薦閱讀：
雙極結(jié)型晶體管差分放大器的溫度補(bǔ)償
詳細(xì)解析基于射頻電路中各典型功能模塊
松下開發(fā)出識別能力接近肉眼的圖像傳感器
如何對高頻變壓器內(nèi)部進(jìn)行emi布線？
解析開關(guān)電源中光耦的作用與光耦反饋接法
推薦閱讀：
雙極結(jié)型晶體管差分放大器的溫度補(bǔ)償
詳細(xì)解析基于射頻電路中各典型功能模塊
松下開發(fā)出識別能力接近肉眼的圖像傳感器
如何對高頻變壓器內(nèi)部進(jìn)行emi布線？
解析開關(guān)電源中光耦的作用與光耦反饋接法
