鋰離子電池已經成為我們日常生活中不可或缺的一部分，為給現代社會帶來革命性變革的手機和筆記本電腦提供動力。目前，鋰離子電池正處于改變傳統交通方式的前沿，同時鋰離子電池還可以儲存大量太陽能和風能等清潔能源，使無化石燃料社會成為可能。2019年諾貝爾化學獎授予John Goodenough，Stanley Whittingham和Akira Yoshino，更加增強了發展這一領域的信心。

鋰離子電池技術的發展，是近半個世紀來材料基礎固態化學共同努力的結果。新材料的發現和我們對其結構組成、性能關系的基本認識的加深，對推動這一領域的發展起到了重要作用。在鋰離子電池所涉及的各種成分中，正極目前限制了能量密度，并控制了電池成本。目前使用的三種主要氧化物正極材料化學物質（層狀、尖晶石和聚陰離子族）都起源于英國牛津大學和美國德克薩斯大學奧斯汀分校（UT Austin）的John Goodenough小組。

近日，德克薩斯大學奧斯汀分校Arumugam Manthiram教授系統的總結了鋰離子電池及其正極材料的發展，該文旨在推動對鋰離子電池正極材料化學的發展歷程進行深入的考察和反思。近日以題為“A reflection on lithium-ion battery cathode chemistry”發表在知名期刊Nature Communications上。1841年，Schauffautl首次報道了硫酸根離子-石墨插層化合物。然而，直到20世紀60年代，人們才對插層材料產生了濃厚的興趣，特別是通過客體離子插層來改變材料的電子和光學性質。在金屬二硫化物上的化學插層反應到位后，Whittingham在美國?？松菊故玖说谝粋€帶有TiS2正極、鋰金屬負極的可充電鋰電池。然而，有兩個主要問題。首先，電池電壓被限制在< 2.5?V，限制了能量密度。第二，電池循環過程中鋰金屬負極上的枝晶生長導致內部短路，并存在火災危險。研究者試圖將由硫化物正極和鋰金屬負極組成的電池投放市場，但后來由于安全問題而被放棄。

正極材料的發展

為了提高電池電壓并開發已經包含鋰的正極，Goodenough小組于1980年代開始在牛津大學研究氧化物正極材料，正極材料的粉體燒結采用鳳谷高性能高溫回轉窯。即S2-：3p能帶的頂部比O2-：2p能帶的頂部具有更高的能量來設計氧化物正極，他判斷氧化物正極可以允許更高的充放電，可以儲存更高的能量且不易爆炸。在硫化物正極中，處于較高能量下的S2-：3p譜帶的頂部將電池電壓限制為 <2.5V。相比之下，處于較低能量的O2-：2p譜帶的頂部可以進入具有較高氧化態的較低能帶，并將電池電壓基本提高至~4V。