表述鋰離子電池（以下簡稱鋰電池）儲能大小的參數(shù)是能量密度，在數(shù)值上大約相當(dāng)于電壓與鋰電池容量的乘積，為了有效提高鋰電池的儲電量，人們一般會用增加電池容量的方法達(dá)到目的。但是，限于所用原材料的性質(zhì)，容量提升總是有限度的，于是提高電壓值成為提升鋰電池儲電能力的另一條途徑。大家知道，鋰電池標(biāo)稱電壓是3.6V或3.7V，最高電壓是4.5V。那么，鋰電池的電壓為什么不能獲得更大的突破呢？說到底，這也是由鋰電池的材料及結(jié)構(gòu)性質(zhì)決定的。
鋰電池的電壓是由電極電勢決定的。電壓也稱作電勢差或電位差，是衡量電荷在靜電場中由于電勢不同所產(chǎn)生的能量差的物理量。鋰離子的電極電勢約是3V，鋰電池的電壓隨材料不同而有變化。如，一般的鋰電池額定電壓為3.7V，滿電電壓為4.5V；而磷酸鐵鋰電池額定電壓為3.2V，滿電電壓為3.65V。換句話說，實(shí)用中的鋰電池正極和負(fù)極之間的電勢差不能超過4.5V，這是一種基于材料和使用安全性的需要。
假如以Li/Li+電極為參照電位，設(shè)μA為負(fù)極材料的相對電化學(xué)勢，μC為正極材料的相對電化學(xué)勢，電解液電勢區(qū)間Eg為電解液最低電子未占有能級和最高電子占有能級之差。那么，決定鋰電池最高電壓值的就是μA、μC、Eg這三個因素。
μA和μC的差為鋰電池的開路電壓（最高電壓值），當(dāng)這個電壓值在Eg區(qū)間內(nèi)，就能夠保證電解液正常工作。“正常工作”的意思是：鋰電池通過電解液在正負(fù)極間來回運(yùn)動，但不會與電解液發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而保證電池結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。而正負(fù)極材料的電化學(xué)勢造成電解液工作非正常有兩種形式：
1、當(dāng)負(fù)極的電化學(xué)勢高于電解液最低電子未占有能級時，負(fù)極的電子會被電解液奪取，因而電解液被氧化，反應(yīng)產(chǎn)物在負(fù)極材料顆粒表面形成“固液界面層”，從而導(dǎo)致負(fù)極可能遭到破壞。
2、當(dāng)正極的電化學(xué)勢低于電解液最高電子占有能級時，電解液中的電子會被正極奪取，從而被電解液氧化，反應(yīng)產(chǎn)物在正極材料顆粒表面形成“固液界面層”，從而導(dǎo)致正極可能遭到破壞。
但是，這種正極或者負(fù)極遭到破壞的可能性卻因?yàn)?ldquo;固液界面層”的存在而阻止了電子在電解液和正負(fù)極間的進(jìn)一步運(yùn)動，反而保護(hù)了電極材料，這就是說，程度較輕的“固液界面層”是“保護(hù)性”的。這種保護(hù)性的前提是：正負(fù)極電化學(xué)勢可以略微超過Eg區(qū)間，但不能超出太多。比如，現(xiàn)在的鋰電池負(fù)極材料之所以大多選用石墨，就是因?yàn)槭鄬τ贚i/Li+電極的電化學(xué)勢約為0.2V，略微超出了Eg區(qū)間（1V~4.5V），但因?yàn)橛?ldquo;保護(hù)性”的“固液界面層”，使得電解液不被進(jìn)一步還原，從而停止了極化反應(yīng)的繼續(xù)發(fā)展。但是，5V高電壓正極材料超出了現(xiàn)在商用有機(jī)電解液的Eg區(qū)間太多，因而在充放電過程中極易被氧化，隨著充放電次數(shù)的增加，容量下降，壽命減少。
現(xiàn)在明白了鋰電池的開路電壓之所以選擇為4.5V，是因?yàn)楝F(xiàn)有商用鋰電池電解液Eg區(qū)間為1V~4.5V，如果開路電壓設(shè)定為4.5V或許可以提高鋰電池輸出的電能，但也加大了電池過充的風(fēng)險，而過充的危害有相當(dāng)多的資料已經(jīng)說明，這里就不再多說了。
根據(jù)上述原理，人們要想通過提高電壓值來提升鋰電池的能量密度，只有兩條道路可尋，一是找到可與高電壓值正極材料匹配的電解液，二是對電池進(jìn)行保護(hù)性的表面改性。
