电池和电极材料

电池和电极材料是储存电化学能的固体：它们是可逆地吸收和释放离子的主体结构，与电解质配对，电解质在它们之间传输离子，同时电子流经外部电路。

Definition

电池电极材料是通过可逆电化学反应（通常是离子的嵌入和脱出）储存电荷的固体；它们与离子导电电解质一起构成电池，其中化学能以电能的形式储存和释放。

Scope

本主题涵盖可充电电池的材料化学，重点是锂离子系统：层状、尖晶石和聚阴离子正极主体；碳和合金负极；以及液体、聚合物和固体电解质。它探讨了电极的晶体结构和氧化还原化学如何决定其电压、容量和倍率性能，循环过程中伴随的结构变化，以及控制稳定性和寿命的界面。

Core questions

• 嵌入电极如何可逆地储存电荷？
• 什么决定了电极材料的电压和容量？
• 循环过程中的结构变化如何限制电池寿命？
• 液体、聚合物和固体电解质分别扮演什么角色？

Key concepts

• 嵌入主体
• 正极和负极材料
• 电池电压和容量
• 电解质
• 固态电解质界面
• 循环寿命和衰减

Key theories

嵌入电化学

层状和骨架主体可逆地将锂等离子嵌入空位，同时伴随主体过渡金属氧化态的变化；氧化还原电位和空位数量决定了电池电压和容量。

电解质和界面

电解质必须传导工作离子，同时阻挡电子，并对两个电极保持稳定；电极-电解质界面的反应形成钝化层，这些钝化层保护电池，但会消耗容量并决定循环寿命。

Mechanisms

放电时，离子离开一个电极，通过电解质迁移，并嵌入另一个电极，同时电子通过外部电路传输，主体过渡金属改变氧化态；充电则逆转此过程，主体结构膨胀和收缩，界面膜形成并演变。

Clinical relevance

电池和电极材料为便携式电子设备、电动汽车和电网规模储能提供动力；提高能量密度、改善安全性和延长寿命的正极、负极和电解质化学进展是电气化和可再生能源整合的核心。

History

20世纪70年代惠廷厄姆（Whittingham）对嵌入电极的发现，以及20世纪80年代古迪纳夫（Goodenough）对层状和聚阴离子氧化物正极的识别，结合吉野（Yoshino）的碳负极，于1991年催生了商用锂离子电池。此后，持续的材料化学研究推动了能量密度的稳步提升，并促进了对固态和超越锂化学体系的探索。

Key figures

• John B. Goodenough
• M. Stanley Whittingham
• Akira Yoshino

Seminal works

• armand2008
• whittingham2004

Frequently asked questions

电池中的“嵌入”是什么意思？

嵌入是指离子（如锂离子）可逆地插入主体晶体结构的空位中而不破坏其结构。在电池充电和放电时，主体吸收和释放这些离子，这是许多可充电电极储存电荷的方式。

为什么锂离子电池的容量会随时间下降？

重复循环会导致电极主体的结构逐渐疲劳，活性锂因界面膜形成而损失，以及与电解质发生缓慢的副反应。这些因素累积起来会减少电池可储存的电荷量，从而缩短其使用寿命。