掺杂石墨烯的中空多孔碳/硅复合纳米纤维的制备与应用
1.1锂离子电池的发展现状和应用前景
在强大的社会需求下，新能源的开发和应用刻不容缓。能源的开发利用必然涉及到能源的储存和运输，以及各种能量形式之间的转化，电池(化学电源)就是一种能将化学能转换成电能的装置。伴随着目前空间技术、电子信息产业的快速发展，化学电源在通信通讯、便携式电子设备、电动汽车等许多方面得到了广泛应用，对人类生活产生了重大影响。在众多的化学电源中，如锌锰、铅酸、镍福、镍氢和锂锂离子二次电池等，从环保性、能量密度、安全性、使用寿命和成本等方面考虑，锂离子二次电池都占有优势而倍受使用者的青睐。随着技术的进步，工艺的完善和电动车的发展，手机、数码相机和游戏机对电池的需求，以及3移动电话服务推出，再加上手提电脑、数码相机及其他个人数码电子设备日渐普及，在未来几年仍将保持快速增长，其市场潜力将更庞大，锂离子电池的应用有着光明的前景。
1.2锂离子电池的工作原理及特征
锂电池由两种不同的锂离子嵌入化合物组成，正极为不同类型的含锂化合物，负极则由石墨一类的物质形成层状结构Li可填充于其中。充电时，加在电池两极的电势迫使正极的化合物释出锂离子，经过电解质后嵌入负极分子的片层结构的碳中。放电时，锂离子则从片层结构的负极材料的晶格中脱出，经过电解液重新和正极的化合物结合，锂离子的移动产生了电流。锂离子的放电示意图如图1-1所示：
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图1-1锂离子电池充放电示意图
与传统的二次电池相比，锂离子电池有许多突出的优点。 锂离子电池的特征：
（1）开路电压高：采用电负性最低的金属锂与正负极发生插入反应而决定其有较高的放电电压。通常单体锂离子电池的电压3.6V，为镍福和镍氢电池的3倍。
（2）能量密度高：与目前较广泛使用的Ni/Cd电池及Ni/MH电池相比，锂离子电池按单位体积或单位质量计算所储存的能量大。
（3）安全性能好，循环寿命长，可达1000次以上。锂是被插入到正负极材料内部，并不是沉积于表面，避免了在充放电过程中形成枝晶，有效的避免短路的发生，进而安全性得以大大提高，循环寿命也大大提高。
（4）自放电率小：锂离子电池月自放电率仅为6%至8%，远低于镍镉电池(25%至30%)及镍氢电池(30%至40%)。锂离子电池在首次充电过程中会在碳负极表面形成一层固体电解质中间相允许离子通过但不允许电子通过，因此可以较好地防止自放电。
（5）无记忆效应。记忆效应就是电池用电未完时再充电时充电量下降。无记忆效应可以根据要求能够随时充电，而不会影响电池性能。
（6）清洁、无污染。锂离子电池不含有铅、汞等有毒物质，对环境无污染，锂离子电池中不存在有害物质，是名副其实的“绿色电池”。
1.2锂离子电池相关材料发展简介
锂离子电池的开发与研究主要集中在锂离子电池的正极材料、负极材料和电 解质体系。电池组成材料的制备工艺和性能很大程度上决定了锂离子电池的性能 (尤其是正极和负极材料极为重要)，所以锂离子电池的研究焦点是正负极材料的 研究，下面对锂离子电池组成部分的研究状况加以综述。
1.2.1 锂离子电池正极材料
目前锂离子离子电池正极材料研究主要集中在LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4以及LixFePO4等体系。目前己用于锂离子电池规模生产的正极材料为LiCoO2，其他新型材料正在进一步研究中。现将主要应用材料的主要指标及优缺点总结如表1-1。
1.2.2 锂离子电池的电解质材料
电解液在锂离子电池的正负极之间起着输送锂离子的作用，对锂离子电池而言，选择合适的电解液是获得高能量密度、长循环寿命和电池安全的关键问题之一。锂离子电池的充放电电压一般都在3V以上，在这个电压范围内，水溶性电解液易发生分解，因此锂离子电池均采用有机电解液。一般情况下，好的电解液应该满足以下条件：高电导率、电化学窗口大、良好的热稳定性、安全性高、毒性小、成本低等。 1.2.3锂电池负极材料
负极材料作为影响锂离子电池性能的关键因素之一，已成为该研究领域的热门课题。目前的锂离子电池负极材料的研究主要集中在：(1)碳基材料；(2)合金类材料；(3)金属氧化物系列；(4)复合材料等。 1.2.4 锂离子电池的其他组成部分
隔膜：为防止正负极短路，使用聚乙烯系多微孔的薄膜。其耐电解液、不吸水、电绝缘性好、离子传导性好、机械强度高，特别是热可融性，如130℃左右，膜的微孔闭合，电池放电自动停止，能确保电池安全。
粘合剂：将正负极材料粘附在集流体上，要求其粘结性好、耐电解液、不易被氧化还原等，常用的高分子粘合剂有聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯等。
2.1 锂离子负极材料的发展现状
作为理想的锂离子电池的负极材料，通常需要满足以下几个条件： （1）与正极材料的化学电位相差大，便于获得高的输出电压； （2） 能够嵌入和脱出尽可能多的锂；
（3）在锂离子嵌入脱出的过程中结构变化小，利于电极的长期循环； （4）与电解质不发生反应，或者能够生成阻断反应进一步发生的钝化膜，或固态电解质薄膜；