综述：下一代锂离子电池：基于先进材料、电解质创新及未来前景的比较综述

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Next-generation lithium-ion batteries: A comparative review based on advanced materials, electrolyte innovations, and future perspectives

　　奥拉·M·莫耶尔迪恩（Ola M. Mohyeldien）| 诺哈·H·埃尔-阿马里（Noha H. El-Amary）| 阿什拉夫·阿尔-巴尔达维尔（Ashraf Al Bardawil）
阿拉伯科学技术与海运运输学院（Arab Academy for Science, Technology and Maritime Transport, AASTMT），开罗，埃及

**摘要**
锂离子电池（Li-ion Batteries, LIBs）已成为便携式电子设备、电动汽车（Electric Vehicles, EVs）和电网规模储能的主要技术。然而，同时提高能量密度、安全性、循环寿命和可持续性仍然是一个重大挑战。这一挑战源于材料特性、界面现象和运行条件之间的复杂相互作用，这些因素共同决定了电池的性能。本文对近年来正极、负极、电解质和隔膜材料的进展进行了全面比较分析，特别关注了控制长期性能的界面兼容性和降解机制。与传统专注于单一组件的综述不同，本研究整合了多种材料视角，以提供对性能限制因素的统一理解。文章特别关注新兴材料策略以及这些创新如何帮助克服传统锂离子电池化学体系的局限性。通过对2015年至2025年的出版趋势进行分析，揭示了材料设计的研究驱动因素和演变重点。这种基于趋势的分析为从商用成熟材料向下一代高性能系统的过渡提供了额外见解。通过将材料科学的进步与实际工程需求和环境要求相结合，本文指出了下一代锂离子电池的关键发展路径，并概述了朝着更安全、更高性能和更可持续电池系统发展的未来方向。

**引言**
自索尼在20世纪90年代初首次推出锂离子电池以来，它们彻底改变了电化学储能领域。其吸引力在于其独特的优势组合：高能量密度、缓慢的自放电速率和长使用寿命[1]。这些优势使锂离子电池成为为日常电子设备供电的理想选择。随着时间的推移，它们的应用范围大大扩展，尤其是在电动汽车的发展和现代能源系统中[3]。它们推动了向电动汽车的转变，并使得大规模储存可再生能源成为可能。如今，锂离子电池广泛应用于从电动汽车和公用事业规模储能站到航空航天和医疗技术等专业领域[4]。随着这种广泛的应用，人们对电池提出了更高的要求：更长的使用寿命、更低的成本以及更高的可靠性和安全性。全球需求的快速增长（主要由电动汽车推动）带来了一系列新的挑战[5]。特别是，平衡能量密度、安全性、循环寿命和可持续性变得极其困难，其中一个特性的改进往往会影响到其他特性。

如今，成本和可持续性与性能同样重要。仅仅生产更多的电池已经不足以满足这些需求。真正的进步需要开发先进的材料、周密的设计策略以及能够平衡工业需求与环境责任的工程解决方案[5]。

锂离子电池的性能和耐用性在很大程度上取决于其组分的电化学行为[6]。商业系统通常采用层状氧化物正极（如锂镍锰钴氧化物（LiNiMnCoO））、石墨负极和液态有机电解质[7,8]。尽管这种化学体系已被证明是可靠的，但它仍受到容量衰减、电压不稳定、界面降解、金属溶解以及在高温条件下热行为不兼容等限制[9]。高容量负极（如硅（Si）在锂化过程中会显著膨胀，而液态电解质则存在挥发性和易燃性问题[10]。此外，对钴和锂等关键材料的依赖引发了关于资源可用性、价格波动和环境影响的担忧[2]。这些限制凸显了迫切需要替代材料和界面工程策略，以增强电池稳定性并减少对稀缺资源的依赖。

尽管许多研究集中在正极化学、负极结构、电解质配方或固态系统等单个组分上，但大多数研究都是独立处理的[11]。因此，电化学、热学和机械行为之间的相互作用尚未得到充分探讨，尤其是在电极-电解质界面处，大多数降解机制都起源于此。第二个研究空白是缺乏将材料创新与可持续性、供应链考虑和生命周期管理相结合的综合研究。对于下一代电池而言，结合电化学、降解途径、功能界面和环境影响的全方位视角变得越来越必要。

本文对正极、负极、电解质和隔膜材料的最新进展进行了比较分析，特别关注了降解途径、界面稳定性和新兴材料策略。综述的整体结构如图1所示，该图展示了各部分之间的关系，并强调了从基本概念到未来展望的发展顺序。文章结构如下：第2节介绍了锂离子电池的工作原理，第3节解释了用于衡量效率和稳定性的主要指标。第1.3节探讨了研究空白和动机，第1.4节概述了本综述的范围和目标，重点讨论了正极和负极材料，包括材料性能的演变、结构设计和科学趋势。第6节讨论了电解质和隔膜，强调了分类、界面行为和以安全性为导向的设计方法。第7节讨论了与锂离子电池开发相关的可持续性、回收技术、资源可用性和循环经济考虑。最后，第8节提出了结论性意见和下一代锂离子电池发展的未来方向。

本综述建立了材料选择、界面行为与锂离子电池性能之间的联系。与传统独立讨论电池组件的综述不同，本文提供了材料设计与实际应用需求的统一视角。图2展示了一个综合设计框架，将材料选择、界面降解现象、电化学性能权衡、可持续性考虑和下一代锂离子电池的未来发展方向联系起来。此外，还分析了2015年至2025年的出版趋势，以了解研究重点的演变并确定下一代锂离子电池的发展方向。

本文为正极、负极、电解质和隔膜提供了综合的材料-界面-降解-可持续性视角，不同于传统上分别讨论正极、负极、电解质和隔膜的锂离子电池综述文章。该综述将电化学性能、界面稳定性、热降解、资源可持续性、回收潜力和循环经济方面以单一的比较视角进行了批判性联系。这种整体方法为开发更安全、更持久、更环保的锂离子电池技术提供了以设计为中心的路线图。

**锂离子电池工作原理**
锂离子电池通过电解质在正极和负极之间来回移动锂离子来工作[12]。这种运动使电池能够提供高能量密度、长循环寿命和优异的效率，因此它们被广泛应用于从便携式电子设备到电动汽车和固定储能系统等各种领域[13]。如图3（a）所示，典型的锂离子电池包含四个关键组成部分：
- **正极**：放电时储存锂离子；
- **负极**：充电时容纳锂离子的结构。

**正极材料**
正极材料的性能基于一系列相互关联的指标进行评估，这些指标决定了其适用于从紧凑型消费电子产品到高容量电动汽车电池和固定储能系统的各种应用。这些指标包括：
- **比容量（mAh/g）**：电极每单位质量可以储存的电荷量。理论容量和实际容量都值得关注：前者来源于材料的晶体结构。

**负极材料**
负极材料是锂离子电池技术的核心，决定了诸如能量密度、电压、循环寿命和安全性等关键性能指标[30]。过去几十年里，大量研究致力于优化正极化学体系并理解限制其长期稳定性的降解途径[31]。本节深入探讨了主要正极类别、它们的电化学性质、降解机制和界面行为。

**电解质和隔膜**
在锂离子电池中，电解质和隔膜是关键组件。它们允许锂离子在正极和负极之间移动，同时保持电极之间的电气绝缘[110]。电解质在充电和放电过程中充当离子传输的通道[111]。虽然电解质可以是液态、固态或凝胶状，但商业电池主要使用液态电解质，因为它们易于生产、具有高离子导电性，并且在多次循环中表现出可靠性[111]。

**锂离子电池的可持续性、回收和循环经济**
虽然锂离子电池被认为是可再生能源系统和电动汽车的关键技术，但它们在其生命周期中也涉及重大的环境和可持续性问题[2]。电池电极的生产，尤其是正极材料，由于提取、精炼和加工过程中的高能耗，对温室气体排放有显著贡献[2,159]。此外，全球对锂、钴、镍等资源的日益增长的需求也带来了新的挑战[2]。

**作者贡献声明**
奥拉·M·莫耶尔迪恩（Ola M. Mohyeldien）：方法论、资源、监督、初稿撰写、审稿与编辑。
诺哈·H·埃尔-阿马里（Noha H. El-Amary）：方法论、验证、初稿撰写、审稿与编辑。
阿什拉夫·阿尔-巴尔达维尔（Ashraf Al Bardawil）：方法论、初稿撰写、审稿与编辑。

**利益冲突声明**
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
- 阿什拉夫·阿尔-巴尔达维尔获得了阿拉伯科学技术与海运运输学院的资助。
- 奥拉·M·莫耶尔迪恩与阿拉伯科学技术与海运运输学院存在雇佣关系。
- 诺哈·H·埃尔-阿马里与阿拉伯科学技术与海运运输学院存在关系。