综述：提高锂离子电池技术的挑战与改进之路

这篇综述深入探讨了锂离子电池(LIBs)在正极材料（如LFP、NMC）、负极材料（石墨、硅基）、隔膜和集流体等核心组件面临的挑战，重点分析了低能量密度、体积膨胀、SEI不稳定等关键问题，并系统总结了碳包覆、元素掺杂、三维结构设计等改进策略，为下一代高能量密度、高安全性LIBs的开发提供了重要指导。

　　

3 Challenges and Strategy to Improve Cathode Active Materials

锂离子电池(LIBs)的商业化正极材料主要包括橄榄石型LiMPO₄、层状LiTMO₂和尖晶石LiTM₂O₄三大类。其中磷酸铁锂(LFP)因安全性高、成本低成为研究热点，但其本征电导率仅10^?9 S cm^?1，锂离子扩散系数低至10^?13-10^?16 cm² s^?1。通过Co、V等金属离子掺杂可将电导率提升8个数量级，而熔盐法合成的球形LFP颗粒能将振实密度提高至1.5 g cm^?3。石墨烯包覆策略使LFP在5C倍率下仍保持129 mAh g^?1的容量。

3.1 Lithium Manganese Phosphate (LMP)

锰基正极LiMnPO₄的工作电压达4-5V，但Mn³⁺的Jahn-Teller效应导致结构畸变。通过Al、F共掺杂形成的LiMn_1.96Al_0.04O_3.94F_0.06将比表面积提升至0.65 m² g^?1，在55°C高温下仍保持稳定循环。MgF₂共掺杂材料在1C倍率下经400次循环后容量保持率达89.2%。

4 Challenges and Strategy to Improve Anode Active Materials

石墨负极理论容量仅372 mAh g^?1，而硅基负极理论容量高达4200 mAh g^?1，但充放电过程中300%的体积膨胀导致电极粉化。通过聚轮烷-聚丙烯酸(PR-PAA)粘结剂体系，可像"动态滑轮"般缓冲应力，使硅颗粒在100次循环后仍保持完整结构。碳纳米管包裹的硅纳米管(Si-in-C tubes)设计使锂化时硅向内膨胀，46wt%硅复合材料实现了2100 mAh g^?1的接近理论值容量。

5 Challenges of Separators

传统聚烯烃隔膜在120°C以上会发生热收缩，而静电纺丝制备的PAN@PVDF-HFP复合隔膜孔隙率达75%，电解液吸收量达420%，使LiFePO₄电池在1C倍率下循环100次后容量保持99.4%。原位聚合的PAMM凝胶电解质在5V高压下仍保持稳定，组装的LiNi_0.5Mn_1.5O₄电池在室温下500次循环后容量保持78.9%。

6 Challenges of Current Collectors

铝集流体在4.5V高电位下会形成Al₂O₃/AlF₃钝化膜，而铜集流体在3.7V以上会发生溶解。表面粗糙化处理的铜箔(MCF)使石墨负极界面电阻从28.5Ω降至23.2Ω，在0.5C倍率下循环寿命延长2.2倍。钛集流体在0-5V全电位范围内稳定，组装的Li₄Ti₅O₁₂负极在5000次循环后仍保持88%容量。