作為一種電化學(xué)裝置，電池在充電過程中將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存在正負極，在放電過程中將化學(xué)能轉(zhuǎn)化電能并釋放出來。一個理想的電池需要具備高的比能量密度和比功率密度，長期循環(huán)壽命，優(yōu)異的耐極端條件以及低成本等特點。
為了達到這個目標，科學(xué)家和工程師開發(fā)了一系列電池系統(tǒng)。鋰離子電池是其中的佼佼者，具有長期循環(huán)壽命，高的能量密度和功率密度，而且沒有記憶效應(yīng)。
圖1. 各種鋰離子電池結(jié)構(gòu)
自1991年索尼公司開發(fā)商業(yè)化鋰離子電池以來，以Li-O2電池和Li-S電池為代表的一系列新型電池體系也相繼問世，并在追逐更高的能量密度方面表現(xiàn)出色。
電池技術(shù)的不斷發(fā)展，離不開納米技術(shù)的幫助。1-100 nm材料的獨特物理化學(xué)性質(zhì)實現(xiàn)了常規(guī)材料無法實現(xiàn)的電化學(xué)性能。有鑒于此，本文簡要介紹如何通過以納米包裹技術(shù)為主的納米技術(shù)提高電池性能！
1. 鋰離子電池正極材料
鋰離子電池正極材料最早一直被LiCoO2所統(tǒng)治。然而，LiCoO2的高成本和結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，已經(jīng)不能滿足市場需求。于是，基于納米技術(shù)發(fā)展的一系列新型正極材料，包括橄欖石，摻雜的尖晶石Li-Mn氧化物和富鎳Li-過渡金屬氧化物等等涌向出來。
圖2. 鋰離子電池示意圖
1.1 提高LiFePO4中鋰離子和電子傳遞性能
LiFePO4是電動汽車電池領(lǐng)域的第一個替代性正極材料。LiFePO4雖然相比于LiCoO2能量密度更低，但是功率密度更高，使用壽命更長，安全性能更高。LiFePO4最早由John Goodenough老先生開發(fā)應(yīng)用。
然而，由于LixFePO4/LiyFePO4晶界的存在，微米尺度的LiFePO4中Li+和電子傳遞性能較差，大電流密度充放電速度較慢，可逆容量受限。
在微米尺度的LiFePO4表面包裹一層導(dǎo)電物質(zhì)，譬如碳材料、導(dǎo)電聚合物等等，增強導(dǎo)電性和Li離子傳導(dǎo)性。納米結(jié)構(gòu)的LiFePO4導(dǎo)電性最高可實現(xiàn)108的增強，確保可以在較高電流下實現(xiàn)快速充放電。
圖3. LiFePO4結(jié)構(gòu)
1.2 抑制LiMn2O4的分解
商業(yè)電動汽車(Chevy Volt and Nissan Leaf)中常用的另一種電池正極材料是LiMn2O4。其問題在于：[MnO6]的Jahn-Teller扭曲導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，Mn2+溶解到非水溶性電解質(zhì)中，最終沉積在石墨負極表面，降低電化學(xué)性能。
在LiMn2O4表面包裹一層納米尺度的氧化物或者氟化物，譬如ZrO2，TiO2，SiO2，Al2O3或者AlF3等等，使其免于溶解。另外，功能性的電解質(zhì)添加劑可以在首次充放電循環(huán)種，在電極表面形成一層納米鈍化膜，大大提高電池的循環(huán)使用壽命。
圖4. 不同正極材料對比
1.3 抑制LiNi1?x?yMnxCoyO2化學(xué)反應(yīng)性
與LiCoO2和LiMn2O4不同的是，富Ni的正極材料，LiNi1?x?yMnxCoyO2 (0 ≤ x, y, x + y ≤ 0.5)能夠?qū)崿F(xiàn)200 mAh g-1的可逆容量和優(yōu)異的容量保持率。氧化物，氟化物和磷化物為代表的納米包裹材料可以減少暴露的電化學(xué)活性表面，抑制與非水性電解質(zhì)的反應(yīng)，增強循環(huán)壽命和安全性。
圖5. 納米包裹策略
2. 鋰離子電池負極材料
鋰離子電池負極材料主要分為三大類：1）嵌入和脫離材料：譬如石墨和TiO2；2）合金和去合金材料，譬如Tin-Si合金；3）轉(zhuǎn)化材料：譬如金屬氧化物，金屬硫化物，金屬氟化物以及金屬磷化物。
2.1 保護石墨
放電形成的LiC6可以產(chǎn)生372 mAh g-1理論容量，能滿足大部分便攜式電子器件的需求。然而，鋰化石墨和有機電解質(zhì)發(fā)生不可逆反應(yīng)，導(dǎo)致石墨片的剝離和電解質(zhì)的分解/還原。
利用SEI納米保護膜或者其他納米包裹技術(shù)，減少第一次循環(huán)過程中的碳酸乙烯分子，起到保護石墨，防止電解質(zhì)分解的作用。
2.2 提高功率
LTO比石墨負極更加安全。通過1）納米結(jié)構(gòu)的LTO；2）LTO表面納米包裹；3）LTO納米結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電材料復(fù)合三種策略，可以有效減少鋰離子在顆粒內(nèi)部的傳輸路徑，并增加暴露的活性面，提高工作電流。加強了LTO和電解質(zhì)之間的電荷傳遞，增強電池功率密度。
圖6. LTO-介孔碳納米結(jié)構(gòu)負極
2.3 提高能量密度
Si理論容量高達3572 mAh g-1,吸引力不可謂不大，但是體積膨脹太大可達到300%。通過納米尺度的Si基納米材料，可以忍受更高的機械應(yīng)力，實現(xiàn)更高的能量密度。
圖7. Si-C納米復(fù)合材料負極
3. 其他電池技術(shù)
3.1 Li-S電池
Li-S電池一般由Li負極，有機電解液和含S復(fù)合材料正極組成。能量儲存于Li-S鍵，可以達到800 mAh g-1 的容量（理論容量為1672 mAh g-1 S）。
圖8. Li-S電池示意圖
主要問題在于：S或S的鋰化物電阻較大，循環(huán)性能較差，工作過程中聚硫化物的溶解和穿梭問題，形貌變化等等。
利用石墨烯，多孔碳或金屬氧化物納米顆粒和S的復(fù)合材料作為正極，對于解決了聚硫化物溶解等問題起到重要幫助。
3.2 Li-O2電池
非水溶性Li-O2電池一般由Li負極，有機電解質(zhì)和碳正極組成，理論能量密度高達3,623 Wh kg?1。
圖9. Li-O2電池示意圖
主要問題在于：充電過電位較高，電解質(zhì)穩(wěn)定性差以及循環(huán)性能較差。
利用納米多孔碳作為正極材料，金屬和金屬氧化物納米顆粒催化劑在放電時的ORR和充電時的OER反應(yīng)中作用頗大。降低充電過電位，使效率高達90%。不過，循環(huán)壽命仍然是一個重要問題。
總之，納米技術(shù)為Li ions電池以及Li-S電池，Li-O2電池的容量、壽命、安全性的不斷提高發(fā)揮了重要作用。納米結(jié)構(gòu)和納米材料的設(shè)計與開發(fā)，是提高電動汽車續(xù)航能力的關(guān)鍵。
未來的挑戰(zhàn)主要存在于以下幾個方面：
對于鋰離子電池而言：
1）減小LiFePO4 and Li4Ti5O12電極材料的尺寸，提高鋰離子和電子的傳遞性能。
2）減少活性表面和電解質(zhì)的接觸，抑制副反應(yīng)。
3）適應(yīng)較大的體積變化。
對于Li-S和Li-O2電池而言：
1）負極方面，穩(wěn)定Li負極和電解質(zhì)界面，減少副反應(yīng)和枝晶。
2）正極方面，對導(dǎo)電性差的Li2S和Li2O2進行限域包裹，納米多孔材料提高能量效率和循環(huán)壽命。
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