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锂离子电池正极材料

2017-2-24 10:51:33

锂离子电池(Lithium Ion Battery,简称LIB)是近20年来发展起来的一种新型电池:1990年日本的索尼(Sony)公司率先研制成功锂离子电池;两年之后锂离子蓄电池实现商品化;1999年聚合物锂离子电池也实现商品化。锂离子电池虽然发展的时间较短,但所具有的工作电压高、能量密度大、循环寿命长、无污染等诸多优点使其迅速成为现代蓄电池中的一枝新秀。尤其是随着社会的发展,人类需求质量的不断提升,同时对便携式电器所需要的电池小型轻量化和有利于环保的双重要求下,对电池的性能要求也日益加大,锂离子电池的研究重点也将朝着高比容量、高充放电效率、高循环性能和较低的成本方向发展。

锂离子电池的工作原理实际上是一种锂离子浓差电池,正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。充电时,Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极,负极处于富锂态,同时电子的补偿电荷从外电路供给到负极,保证负极的电荷平衡。放电时则相反,Li+从负极脱嵌,经过电解质嵌入正极,正极处于富锂态。在锂离子电池的充放电过程中,锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态,就像一把摇椅,摇椅的两端为电池的两极,锂离子就象优秀的运动健将在摇椅的两端来回奔跑。所以锂离子电池又称摇椅式电池。

在锂电实际生产制造中需要用到的材料很多,包括正负极材料、隔膜、电解液、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、铝箔、铜箔、铝带、镍带、吸塑等等,其中正极材料、负极材料、隔膜和电解液被称为关键材料,锂离子电池的性能主要取决于这几种关键材料。而在锂电池制造的材料成本中,正极材料占的比重最大,在30%以上。所以在锂离子电池的发展中,研究高质量低成本的正极材料是关键的任务之一。

自锂离子电池诞生以来,其发展经历了曲折的过程。正极材料发展到现在虽种类繁多,但真正应用于商业化的鲜有罕见。而作为一种理想的锂离子电池正极材料要求具有以下电化学性能:

(1)具有层状或隧道的晶体结构,以利于锂离子的嵌入和脱出,结构牢固,在充放电电压范围内的稳定性好,使电极具有良好的充放可逆性,以保证锂离子电池的循环寿命;

(2)充放电过程中,应有尽可能多的锂离子嵌入和脱出,使电极具有较高的电化学容量;

(3)在锂离子进行嵌脱时,电极反应的自由能变化应较小,以使电池有较平稳的充放电电压,以利于锂离子电池的广泛应用;

(4)锂离子应有较大的扩散系数,以减少极化造成的能量损耗,保证电池有较好的快充放电性能;

(5)分子量小,提高重量能量密度;摩尔体积小,提高体积能量密度。

另外,从实用角度来讲,正极材料应原料来源广泛,价格便宜,易于工业化,并对环境无污染等。

目前研究的正极材料可分为两类:即纯相类和改性类。对纯相类的有钴氧化物、镍氧化物、锰氧化物、钒氧化物、多原子阴离子正极材料、其他正极材料等。

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改性类顾名思义是对纯相类材料进行结构上的改性技术处理,主要包括包覆和掺杂等手段。如三元(如镍钴锰酸锂)或二元(如镍锰酸锂)正极材料等。

商业化的正极材料常见性能列表如下:

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