鋰電池電極材料綜述

1、鋰電池正極材料綜述1、引言鋰離子電池的性能主要取決丁所用電池內(nèi)部材料的結(jié)構(gòu)和性能。這些電池內(nèi) 部材料包括負極材料、電解質(zhì)、隔膜和正極材料等。其中正、負極材料的選擇和 質(zhì)量直接決定鋰離子電池的性能與價格。因此廉價、高性能的正、負極材料的研 究一直是鋰離子電池行業(yè)發(fā)展的重點。負極材料一般選用碳材料，耳前的發(fā)展比 較成熟。而正極材料的開發(fā)已經(jīng)成為制約鋰離子電池性能進一步捉高、價格進一 步降低的重要因素。在冃前的商業(yè)化生產(chǎn)的鋰離子電池中，正極材料的成本大約 占整個電池成本的40%左右，正極材料價格的降低直接決定著鋰離子電池價格的 降低。對鋰離了動力電池尤其如此。衡量鋰離子電池正極材料的好壞，大致可以從

2、以下兒個方面進行評估：（1） 正極材料應冇較高的氧化還原電位，從而使屯池冇較高的輸岀屯壓；（2）鋰離子 能夠在正極材料屮大量的可逆地嵌入和脫嵌，以使電池有高的容量；（3）在鋰離 子嵌入/脫嵌過程中，正極材料的結(jié)構(gòu)應盡可能不發(fā)生變化或小發(fā)生變化，以保 證電池良好的循環(huán)性能；（4）正極的氧化還原電位在鋰離子的嵌入/脫嵌過程中 變化應盡可能小，使電池的電壓不會發(fā)生顯著變化，以保證電池平穩(wěn)地充電和放 電;（5）正極材料應冇較高的電導率，能使電池大電流地充電和放電；（6）正極 不與電解質(zhì)等發(fā)生化學反應；（7）鋰離子在電極材料中應有較大的擴散系數(shù)，便 于電池快速充電和放電；（8）價格便宜，對環(huán)境無污染。目

3、前已批量應用于鋰電池的正極材料主要有鉆酸鋰、鐮酸鋰、猛酸鋰、鉆牒 錨酸鋰（三元材料）以及磷酸鐵鋰。2、正極材料介紹2.1 licoo2鉆酸鋰：研究始于1980年，20世紀90年代開始進入市場。它屬于a-nafeo2 型層狀巖鹽結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，是一種菲常成熟的正極材料產(chǎn)品，目前占據(jù)鋰 屯池正極材料市場的主導地位。其理論容量為274mah/g,實際容量為140mah/g 左右，也冇報道實際容量已達155mah/go該正極材料的主耍優(yōu)點為：工作電壓 較高（平均工作電壓為3.7v）、充放電電壓平穩(wěn)，適合大電流充放電，比能量高、 循環(huán)性能好，電導率高，生產(chǎn)工藝簡單、容易制備等。主要缺點為：價格昂貴,

4、 抗過充電性較差，循環(huán)性能有待進一涉提高。而且鉆有放射性，不利于環(huán)保，因 此發(fā)展受到限制。2.2 linio2 用丁鋰離子屯池正極材料的linio2具有與licoo2類似的層狀結(jié)構(gòu)。其理論能量 密度達276mah/g,但制作難度大，且安全性和穩(wěn)定性不佳。技術(shù)上采用摻朵co、 mn、al、f等元素來提高其性能。由于提高銀酸鋰技術(shù)研究需考察諸多參數(shù)， 工作量大，口前的進展緩慢。工作電壓范圍為2.54.2v。該正極材料的主要優(yōu) 點為：口放電率低，無污染，與多種電解質(zhì)有著良好的相容性，與licoo2ffl比 價格便宜等。但linio2貝有致命的缺點：linio2的制備條件非?？量?，這給 linio2的

5、商業(yè)化生產(chǎn)帶來相當大的困難；linio2的熱穩(wěn)定性差，在同等條件下與 licoo2和limcu正極材料相比，linio?的熱分解溫度最低(200°c左右)，且放 熱量最多，這對電池帶來很大的安全隱患；linio2在充放電過程中容易發(fā)生結(jié)構(gòu) 變化，使電池的循環(huán)性能變差。這些缺點使得linich作為鋰離了電池的正極材 料還有一段相當?shù)穆芬摺?.3limn2o4用于鋰離了電池止極材料的limn2o4具有尖晶石結(jié)構(gòu)。其理論容量為148 mah/g, 實際容量為90120 mali/go工作電壓范圍為34v。該正極材料的主要優(yōu)點為： 鎰資源豐富、價格便宜，安全性高，比較容易制備。缺點是理論容

6、量不高；材料 在電解質(zhì)屮會緩慢溶解，即與電解質(zhì)的相容性不太好；在深度充放電的過程屮， 材料容易發(fā)生晶格崎變，造成電池容量迅速衰減，特別是在較高溫度下使用時更 是如此。為了克服以上缺點，近年新發(fā)展起來了一種層狀結(jié)構(gòu)的三價猛氧化物 limno2o該正極材料的理論容量為286 mah/g,實際容量為已達200 mah/g左右。 工作電壓范圍為34.5vo雖然與尖晶石結(jié)構(gòu)的limn2o4相比，limnch在理論容 量和實際容量兩個方面都有較大幅度的提高，但仍然存在充放電過程中結(jié)構(gòu)不穩(wěn) 定性問題。在充放電過程中晶體結(jié)構(gòu)在層狀結(jié)構(gòu)與尖晶石結(jié)構(gòu)z間反復變化，從 而引起電極體積的反復膨脹和收縮，導致電池循環(huán)性

7、能變壞。而且limno2也存 在較高工作溫度下的溶解問題。解決這些問題的辦法是對limno2進行摻朵和表 面修飾。目前已經(jīng)取得可喜進展。2.4lifepo4該材料具有橄欖石晶體結(jié)構(gòu)，是近年來研究的熱門鋰離子電池正極材料之一。其 理論容量為170 mah/g,在沒有摻朵改性時其實際容量已高達110 mah/go通過對 lifepo4進行表面修飾，其實際容量可高達165 mah/g,已經(jīng)非常接近理論容量。 工作電壓范圍為3.4v左右。與以上介紹的正極材料相比,lifepo4貝有高穩(wěn)定性、 更安全可靠、更環(huán)保并且價格低廉。此外，它在大電流放電率放電(510c放 電)、放電電壓平穩(wěn)性、安全性、壽命長等

8、方面都比其它幾類材料好，是最被看 好的電流輸出動力電池。目前a123公司已能將磷酸鐵鋰止極材料制造成均勻的 納米級超小顆粒，使顆粒和總表面積劇增，進一步體高了磷酸鐵鋰電池的放電功 率和穩(wěn)定性?；谝陨显?，lifepo4在大型鋰離子電池方面有非常好的應用前 景。但要在整個鋰離子電池領域顯示出強大的市場競爭力，lifcpo4卻而臨以下 不利因素:(1)來自limn2o4> limno2> linimo2正極材料的低成本競爭;(2) 在不同的應用領域人們可能會優(yōu)先選擇更適合的特定電池材料；（3） lifepcu的 電池容量不高；（4）在高技術(shù)領域人們更關注的可能不是成木而是性能，如應用 于手機與筆記木電腦；（5） lifepcu急需提高其在1c速度下深度放電吋的導電能 力,以此提高其比容量。（6）在安全性方面，licooz代表著口前工業(yè)界的安全 標準，而且linio2的安全性也已經(jīng)有了大幅度的提高，只有l(wèi)ifepcu表現(xiàn)出更高 的安全性能，尤其是在電動汽車等方面的應用，才能保證其在安全方面的充分競 爭優(yōu)勢。2.5鉆葆猛酸鋰即現(xiàn)在常說的三元材料，它融合了鉆酸鋰和猛酸鋰的優(yōu)點，在小型低功率電 池和大功率動力電池上都有應用。但該種電池的材料