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纳米科技有望以合理的成本，赋予新一代锂离子电池更好的性能、续航能力和安全性。一个典型的锂离子电池由三个主要部分构成：一个正极(通常由石墨和其他导电添加剂组成)，一个负极(通常是一层过渡金属氧化物)以及在充放电过程中锂离子藉以穿梭于正负极的电解质。关于电极：锂离子电池的电极，无论是正极还是负极，均由锂离子易于插入的材料构成。同时，电极需拥有良好的导电性以使锂离子电池具有较快的充电速率。使用纳米尺度的材料可以加速锂离子的插入过程，为反应提供更大的表面积和更短的扩散距离，从而加快能量存取的过程。
关于电解质
锂离子电池中的电解质在两电极间来回传递锂离子。相较使用传统的液态电解质，固态电解质可得到更高能量的电池及更好的安全性(避免火险)。然而，将较高的锂离子传导率与较宽的电位窗进行最优组合无疑是一个挑战。与此同时，减少固态电解质与锂基正极间的界面电阻也是一个巨大的难关。固态电解质的纳米结构调控可以提高锂离子传导率，以传统的块体硫代磷酸锂为例，当它被制成纳米多孔结构时，其锂离子传导可加速1000倍。另一个例子是具有纳米结构的聚合物电解质(NPE)，安全性有保障。使用这种温和的电解质最主要的优点在于它允许金属锂作为正极(取代碳基正极)，有利于增加电池的能量密度。

关于提高锂离子电池的性能
锂离子电池的性能主要通过它每单位质量或体积所储存的能量及功率来进行描述。锂离子电池的功率密度在增加的同时通常会损失能量密度。为了得到较高的功率密度与能量密度，研究人员使用纳米科技，设计出在离子迁移过程中具有较高表面积和较短扩散路径的电极。高表面积为锂离子接触提供更多反应活性位点，可以得到更高的功率密度及更快的充放电速率。另一个重要的参数是电池的倍率性能，表明了锂离子电池可以提供的最大电流输出，对锂离子电池的循环寿命起到关键影响。总体而言，更高的倍率性能会带来更大的功率密度和更长久的循环寿命。
安全性
人们对锂离子电池更高的功率/能量密度(P/E)比的需求会伴随电池更大的安全风险。作为新一代锂离子电池，人们提出较为适宜的P/E比约为0.5，在此情况下无需复杂的热量管理。为了防止火情，在充放电过程中产生的热量需快速被排出，电池也需由不可燃材料构成。在金属锂作为正极的锂离子电池中，所谓“枝晶问题”(即锂微观纤维在电解质中的生长引发短路和过热)亟待解决。

纳米多孔结构的分隔器可以在不阻碍充放电过程中离子传递的情况下防止枝晶的扩散，起到物理屏障的作用。最近有报道称，一种纳米多孔聚合物-陶瓷复合材料制成的分隔器可以起到防止枝晶扩散的作用。这种新型分隔器由层片状多孔γ-氧化铝薄膜(孔径为100 nm)夹在大孔聚合物薄膜之间构成。在这样的层片状复合材料中，纳米多孔氧化铝可以有效地阻碍枝晶的增殖，防止短路造成的电池失效。

热力学上稳定的电解质，例如纳米形貌调控的塑性高聚物结晶电解质(N-PCPE)可以促进锂离子电池安全性能的发展。藉由这种纳米多孔结构，N-PCPE在为此较高的离子传导率与热稳定性的同时具有可塑性。这使得材料即便在褶皱的情况下依然展现出较高的电化学稳定性。由于它即使在高度变形的情况下也不受内部短路的影响，N-PCPE可以取代目前使用的可燃碳酸酯基液态电解质以及聚烯烃分隔薄膜，以增加锂离子电池的安全性。

在另一个方面，可以说纳米科技促进了热稳定先进材料在电极上的应用。例如亚氧化钛（TiO7）是一种最先进的锂离子电池正极材料，在循环过程中具有极好的安全性能和结构稳定性，电池的安全性能与电化学性能均得到了提升。与此同时，纳米科技应用于分隔器后稳定性得到了提升而高温收缩率减小，进而改善了电池的安全性的同时提高了电池性能。
耐久性
循环寿命(锂离子电池能够为此70%-80%初始电容量的情况下充放电的次数(充放电计一次循环))可以通过电极的纳米结构进行提高。

新型纳米结构，诸如大孔碳纳米管复合TiO2-C纳米电缆，由碳纳米管内核与包覆于其外的二氧化钛纳米颗粒，以及覆盖在最外侧的大孔结构碳层构成。这种结构具有卓越的正极电化学性能，在高速率下具有长期循环稳定性。在50 C下2000次循环后，这种材料负载任达到了较高的122 mAhg-1。

耐久性好的的高速率锂离子电池正极，如碳包覆Fe3O4纳米颗粒均匀地附着于二维多孔石墨碳纳米薄层表现出优异的循环性能(在高速率10 C下循环350次后，电容量损失仅为3.47%)。该值在其他传统或是常见的Fe3O4纳米结构所制成电极中为最高值。这里，粒径约为18.2 nm的Fe3O4纳米颗粒均匀涂覆于保角薄洋葱状碳壳体结构，进一步附着于碳纳米薄膜(厚度<30 nm)。碳壳结构阻碍了Fe3O4纳米颗粒直接暴露于电解质中，稳定了电解质-电解液界面。