鋰離子電池電極表面的研究課件

鋰離子電池電極表面的研究

034098吳鋒、劉春艷

前言

鋰離子電池是一種充電電池，自1990年SONY公司開發(fā)成功以來，它以其高電壓、體積小、能量密度大、循環(huán)性能好、自放電小、無記憶效應等特點，已廣泛用于各種便攜式電子設備，并有小批量應用于電動汽車、儲能電池等，是現代高性能電池的代表。由于電極表面特性是影響鋰離子電池充放電循環(huán)容量與穩(wěn)定性的重要因素，因而研究其電極表面問題，對深入理解材料的儲鋰機制和儲鋰性質，進一步設計與優(yōu)化材料有著重要的指導意義。

鋰離子電池工作原理及電極材料的一般組成

鋰離子電池工作原理是在充放電的過程中，鋰離子在正負極間進行可逆的脫出和嵌入。充電時，正極中的鋰離子從基體中脫出，嵌入負極;放電時，鋰離子從負極中脫出，嵌入正極。 目前商品化的鋰離子電池一般采用層狀LiCoO2、尖晶石LiMn2O4和橄欖石LiFePO4等材料為正極，石墨類材料為負極（故常稱負極為炭負極），在非水電解液電池體系中，金屬鋰及其插層化合物，如鋰-碳、鋰-石墨等，是最常用的負極材料，

SEI膜的形成消耗了部分鋰離子，使得首次充放電不可逆容量增加，降低了電極材料的充放電效率，增加了界面阻抗;且對碳負極而言，優(yōu)良的SEI膜具有有機溶劑的不溶性，允許鋰離子自由地進出碳負極而溶劑分子無法穿越，能夠有效阻止有機電解液和碳負極的進一步反應以及溶劑分子共插對碳負極的破壞，提高了碳負極的循環(huán)效率和可逆容量等性能;對正極而言，它可以提高有機溶劑的氧化電位，阻止鋰離子自發(fā)脫嵌，降低有機溶劑對其的破壞。因此，深入研究SEI膜的形成機理、組成結構、穩(wěn)定性及其影響因素是非常重要的。

炭負極表面的研究1

正極表面的研究2

炭負極材料表面改性4

電極表面特性研究方法3主要從四個方面對其表面進行研究炭負極表面的研究鋰和鋰-碳電極的表面化學SEI膜的導電機理電解液體系

SEI膜的導電機理

SEI膜對電池的循環(huán)性能、貯存壽命、不可逆容量損失和安全性等起著重要作用。理想的SEI膜應具有良好的電子絕緣性和離子導電性，電極與電解液之間的電傳導是在電場作用下，離子遷移通過SEI膜來完成的。這種導電離子可以是陰離子或陽離子，也可能是二者同時起作用。另外鋰電池上SEI膜的組分中同時存在的弗倫克爾缺陷和空穴式晶格缺陷對導電性能也有貢獻。電解液體系

能使鋰電極具有良好循環(huán)性能的電解液不多，以金屬鋰作負極的鋰離子電池中，具有較好循環(huán)性能的電解液體系，目前只發(fā)現了3種：碳酸乙烯酯．二甲基四氫呋喃．四氫呋喃／六氟砷酸鋰、二甲基四氫呋喃．四氫呋喃．二甲基呋喃／六氟砷酸鋰和1，3-二氧戊環(huán)／六氟砷酸鋰(用三丁胺作穩(wěn)定劑)。

正極表面的研究

正極SEI膜的形成，既可能是由溶劑分子與正極物質發(fā)生反應引起的，也可能是由被氧化的物質形成了不溶物在電極上沉積而成，還可能是在負極上所形成的ROCO2Li發(fā)生溶解，在電解液中達到飽和后沉積到正極上。在正極上形成SEI的成分中，一些是溶劑在負極上的還原產物；構成正極SEI膜各成分的量，隨著循環(huán)次數的增加和擱置時的延長而增多，這說明在正極表面所形成的膜不夠致密，不能完全阻止正極活性物質與電解液發(fā)生反應。

傳統電化學方法包括循環(huán)伏安法、電化學阻抗法等，是測定電池容量和循環(huán)性能的必要手段，也是研究SEI膜特征和形成機制的重要工具。顯微法主要包括SEM、STM和AFM法，主要用于研究電極嵌脫鋰前后和過程中電極表面形態(tài)的變化。譜學法主要有XPS、FTIRS和拉曼光譜法，用于研究SEI膜結構和組分。其中拉曼光譜法是目前較新的技術，至今系統應用其研究鋰離子電池電極表面與電解質材料的報道還不多。

炭負極材料表面改性

鋰離子電池的技術關鍵在于炭負極，提高炭負極材料電性能是研究的目的。而炭負極材料的的電性能決定于其內部結構、顆粒形態(tài)、表面性質等多種因素。其中表面性質對于首次放電效率、高倍率充放電能力、電容量等都有重要的影響，因此進行表面改性是提高炭負極材料電性能的有效方法。其表面改性出發(fā)點—減少炭表面有機官能團的含量則可提高電極的容量及首次循環(huán)效率；—消除或減少炭材料中的反應活性點；—減少材料中棱面和基面之間電化學活性的差異，其目的是能在炭粒子表面形成致密均勻的SEI膜。

目前，在高能電池領域中，鋰離子電池的研究已取得巨大成功，國內外無論是政府還是大集團公司都紛紛看好鋰離子電池市場。但鋰離子電池電極材料現已成為制約我國高性能鋰離子電池發(fā)展的瓶頸。因此，對鋰離子電池尤其是對其電極表面問題的研究需不斷深入。結語參考文獻呂正中、周震濤鋰離子電池電極表面的研究進展電池2005年10月第35卷第5期秦銀平、莊全超鋰離子電池電極界面特性研究方法化學進展2011年三月第23卷第2/3期殷雪峰、劉貴昌鋰離子電池炭負極材料表面改性的研究進展炭素2005年第4期馬軍旗,胡成秋提高鋰離子電池炭負極材料性能的表面處理方法炭素技術2000年第5期李泓、王兆翔鋰離子電池中的尺寸效應與表界面問題研究物理第37卷(2008年)第6期趙亮，胡勇勝拉曼光譜在鋰離子電池研究