鋰離子電池的內(nèi)部組成主要為正極｜電解質(zhì)｜隔膜｜電解質(zhì)｜負(fù)極，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行極耳的焊接，外包裝的包裹等步驟最終形成一只完整的電芯。電芯再經(jīng)過(guò)初始的充放電，化成分容排氣等步驟以后，就可以出廠使用了。這個(gè)過(guò)程的第一步，是材料的選擇。影響材料的安全性因素主要是其本征的軌道能量、晶體結(jié)構(gòu)和材料的性狀。

正極材料

正極活性材料在電池中的主要作用是貢獻(xiàn)比容量和比能量，其本征電極電勢(shì)對(duì)安全性有一定的影響。例如，近年來(lái)，中國(guó)已經(jīng)將低電壓材料LiFePO4（磷酸鐵鋰）作為動(dòng)力電池的正極材料廣泛應(yīng)用于交通工具（例如混合式動(dòng)力車HEV,電動(dòng)車EV）和儲(chǔ)能設(shè)備（例如不間斷電源UPS）中，但是LiFePO4在眾多材料中所展現(xiàn)出來(lái)的安全性優(yōu)勢(shì)實(shí)際是以犧牲能量密度為代價(jià)的，也就是說(shuō)會(huì)制約其使用者（如EV,UPS）的續(xù)航能力。而像NMC(LiNixMnyCo1-x-yO2)等三元材料雖然在能量密度上表現(xiàn)優(yōu)異，但是作為動(dòng)力電池的理想正極材料，安全性問(wèn)題一直得不到完善的解決。為了研究正極材料的熱行為，研究者們都做了很多工作，發(fā)現(xiàn)本征電極電勢(shì)和晶體結(jié)構(gòu)是影響其安全性的主要因素，如電極電位μC和電解液的電化學(xué)窗口最高占據(jù)軌道HOMO是否完美匹配，晶格中能否順利同時(shí)通過(guò)多個(gè)鋰離子……通過(guò)對(duì)材料種類的選擇和元素的摻雜可以增強(qiáng)正極活性材料的安全性能。

負(fù)極材料

負(fù)極活性材料對(duì)安全性能的影響主要來(lái)自于其本征的軌道能量和電解質(zhì)LUMO,HOMO的配置關(guān)系。在快充的過(guò)程中，鋰離子通過(guò)SEI（固態(tài)電解質(zhì)界面）膜的速度可能比鋰在負(fù)極的沉積速度慢，鋰的支晶會(huì)隨著充放電循環(huán)而不斷生長(zhǎng)，可能導(dǎo)致內(nèi)短路而引燃可燃性的電解質(zhì)發(fā)生熱失控，這一特性限制了負(fù)極在快充過(guò)程中的安全性。只有在以含碳材料作為緩沖層的鋰合金的負(fù)極電動(dòng)勢(shì)和鋰的電動(dòng)勢(shì)之差小于-0.7Ev，即μA<μLi0.7eV的情況下，才能保證鋰的沉積不會(huì)造成短路。出于安全性的考慮，動(dòng)力電池應(yīng)采用電動(dòng)勢(shì)小于1.0eV（相對(duì)于Li+/Li0）的負(fù)極材料實(shí)現(xiàn)安全的快充或者能夠?qū)崿F(xiàn)將充電電壓控制在遠(yuǎn)低于鋰的沉積電位的范圍內(nèi)。Li4Ti5O12在快充和快放領(lǐng)域有安全性的優(yōu)勢(shì)，原因是其電動(dòng)勢(shì)為1.5eV（相對(duì)于Li+/Li0），低于電解質(zhì)的LUMO。還有一種負(fù)極材料Ti0.9Nb0.1Nb2O7，它可以在1.3≤V≤1.6V（相對(duì)于Li+/Li0）的電壓下快速充放30周以上，并且擁有300mAhg1的比容量，高于LTO。在放電的過(guò)程中因?yàn)椴淮嬖阡囯x子通過(guò)SEI膜和在負(fù)極上沉積的速度競(jìng)爭(zhēng)，所以快放過(guò)程是安全的。