鋰離子電池的能量密度與電動汽車續(xù)航里程有著直接的關(guān)系，因此為了獲得更高的續(xù)航里程，就需要我們不斷的提高鋰離子電池的比能量。提升鋰離子電池比能量的關(guān)鍵在于鋰離子電池的正負(fù)極材料，從目前的發(fā)展水平來看，負(fù)極更多的是依靠硅負(fù)極材料，但是隨著比能量的不斷提升，負(fù)極材料的終極選擇還將是金屬鋰負(fù)極，特別是近年來，人們在金屬鋰的研究上已經(jīng)取得了有目共睹的成就，相信金屬鋰負(fù)極將會很快的進(jìn)入到實際應(yīng)用階段。

正極目前可供我們選擇的主要是三元的NMC和NCA材料，三元材料理論比能量可達(dá)280mAh/g，實際容量也達(dá)到170mAh/g以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鈷酸鋰材料，能夠基本上滿足現(xiàn)階段鋰離子電池對比能量的追求。但是對于下一代鋰離子電池正極材料，目前研究者們還存在爭議，富鋰材料是研究比較多高容量材料，但是富鋰材料仍然存在著循環(huán)性能不佳、電壓衰降等問題，因此還有待我們進(jìn)一步的研究和開發(fā)。

今天小編帶大家了解一種可能的高容量鋰離子電池正極材料——Li2FeSiO4材料。Li2FeSiO4材料的理論比容量可達(dá)331mAh/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于三元材料，是一種非常理想的鋰離子電池正極材料，蘇州大學(xué)的Jiangfeng Ni等對Li2FeSiO4材料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)和分析。Li2FeSiO4材料與其他常見材料的比容量，及電壓平臺和能量如下表所示。Li2FeSiO4材料能量密度可達(dá)到1120Wh/kg，這甚至要高于以高能量密度著稱的富鋰材料，接近三元材料的兩倍，可以大幅度的提高鋰離子電池的比能量。

但是電子電導(dǎo)率低和離子電導(dǎo)率低極大的限制了Li2FeSiO4材料的應(yīng)用，這主要是受到Li2FeSiO4材料結(jié)構(gòu)的影響，目前已經(jīng)確定的Li2FeSiO4材料的結(jié)構(gòu)具有以下三種，其基本結(jié)構(gòu)是LiO4四面體與FeO4和SiO4四面體連接在一起。三種結(jié)構(gòu)可以通過改變合成溫度進(jìn)行制備，正交 Li2FeSiO4（Pmn21）材料可以在低溫下獲得（200°C），單斜Li2FeSiO4（P21／n）材料則需要在較高溫度下制備（700°C），而正交Li2FeSiO4（Pmnb）則需要在更高的溫度下獲得（900°C）。

在上述結(jié)構(gòu)中FeO4四面體被LiO4四面體和SiO4四面體所隔離，F(xiàn)e離子之間的距離（0.434nm）甚至要高于LiFePO4材料中Fe離子之間的距離（0.387nm），因此這也直接導(dǎo)致了Li2FeSiO4材料的電子電導(dǎo)率極差，同時也導(dǎo)致Li擴(kuò)散出晶體結(jié)構(gòu)的電勢大大提高，這也使的脫出Li2FeSiO4材料中的第二個Li+變的極為困難，目前的解決辦法是通過陽離子摻雜的方法使的過渡金屬與O之間發(fā)生軌道雜化，從而降低材料的費米能級，例如通過5%的Ti可以使的Li2FeSiO4材料的能帶間隙從2.13eV下降到1.46eV。

學(xué)者們認(rèn)為Li2FeSiO4材料中緩慢的Li+擴(kuò)散速度主要受制于材料中載流子的遷移速度，因此改善Li+擴(kuò)散的動力學(xué)條件也主要從材料的形貌、晶體缺陷等角度進(jìn)行考慮。目前人們已經(jīng)開發(fā)出了多種合成方法。固相法是最為常見，也最為簡單的方法，通過將前軀體混合，在保護(hù)氣氛下進(jìn)行焙燒，即可獲得Li2FeSiO4材料。由于固相法合成的材料的顆粒尺寸一般比較大，反應(yīng)活性較低，因此一般需要對其進(jìn)行碳包覆處理。

固相法存在的問題可以通過軟化學(xué)的方法進(jìn)行克服，例如溶膠-凝膠法、水熱法和超臨界流體法等，這些合成方法可以顯著的降低材料的顆粒尺寸，甚至制備納米顆粒，這可以有效的提高材料的反應(yīng)活性，提高電化學(xué)性能。

對Li2FeSiO4材料的電化學(xué)性能研究發(fā)現(xiàn)，該材料脫出第一個Li相對較為容易，但此時材料的容量僅為165mAh/g，相對于現(xiàn)在技術(shù)較為成熟的三元材料和磷酸鐵鋰材料并沒有優(yōu)勢，為了發(fā)揮Li2FeSiO4材料高容量的優(yōu)勢，需要對其脫出第二個Li+的特點進(jìn)行深入的研究。近些年，人們已經(jīng)開發(fā)出了多種用于提升Li2FeSiO4材料的方法，這些方法大多數(shù)都是基于磷酸鹽類材料的研發(fā)經(jīng)驗，主要有碳包覆和改性、離子摻雜和顆粒粒徑降低和多孔結(jié)構(gòu)等手段。

碳包覆和改性處理是最為簡單也最為有效的處理方法，碳包覆處理可以有效的改善材料的導(dǎo)電性，幫助建立更為高效的電子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，石墨烯、以及碳納米管都是碳包覆的良好選擇。通過CNT改性的Li2FeSiO4材料比容量可達(dá)240mAh/g，而通過石墨烯改性后的Li2FeSiO4材料的比容量可達(dá)313mAh/g，已經(jīng)非常接近該材料的理論比容量。離子摻雜可以為材料引入晶體缺陷，增加電子導(dǎo)帶，從而改變材料的電子結(jié)構(gòu)和載流子的移動性。常見的碳改性處理和元素?fù)诫s手段對Li2FeSiO4材料的容量影響如下表所示。納米化和多空結(jié)構(gòu)材料都是通過降低電子和離子的擴(kuò)散距離達(dá)到改善材料性能的目的。

Li2FeSiO4材料由于高比容量、成本低廉和無毒無害等特性，成為下一代高比能鋰離子電池材料的有力競爭者，但是由于Li2FeSiO4材料的電子導(dǎo)電性和離子導(dǎo)電性差等問題，導(dǎo)致該材料的反應(yīng)動力學(xué)條件差，極大的限制了該材料性能的發(fā)揮。近年來，隨著人們對Li2FeSiO4材料的改性處理取得了顯著的效果，極大提高了Li2FeSiO4材料材料的比容量和能量密度，但是要和富鋰材料競爭，還需要充分挖掘其性能，完全脫出Li2FeSiO4材料中的兩個Li+，充分發(fā)揮其高容量的優(yōu)勢。

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