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鋰離子電池正極材料

2017/2/24 10:51:33

鋰離子電池(Lithium Ion Battery,簡稱LIB)是近20年來發展起來的一種新型電池:1990年日本的索尼(Sony)公司率先研製成功鋰離子電池;兩年之後鋰離子蓄電池實現商品化;1999年聚合物鋰離子電池也實現商品化。鋰離子電池雖然發展的時間較短,但所具有的工作電壓高、能量密度大、循環壽命長、無汙染等諸多優點使其迅速成為現代蓄電池中的一枝新秀。尤其是隨著社會的發展,人類需求質量的不斷提升,同時對便攜式電器所需要的電池小型輕量化和有利於環保的雙重要求下,對電池的性能要求也日益加大,鋰離子電池的研究重點也將朝著高比容量、高充放電效率、高循環性能和較低的成本方向發展。

鋰離子電池的工作原理實際上是一種鋰離子濃差電池,正負電極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物組成。充電時,Li+從正極脫嵌經過電解質嵌入負極,負極處於富鋰態,同時電子的補償電荷從外電路供給到負極,保證負極的電荷平衡。放電時則相反,Li+從負極脫嵌,經過電解質嵌入正極,正極處於富鋰態。在鋰離子電池的充放電過程中,鋰離子處於從正極→負極→正極的運動狀態,就像一把搖椅,搖椅的兩端為電池的兩極,鋰離子就象優秀的運動健將在搖椅的兩端來回奔跑。所以鋰離子電池又稱搖椅式電池。

在鋰電實際生產製造中需要用到的材料很多,包括正負極材料、隔膜、電解液、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、鋁箔、銅箔、鋁帶、鎳帶、吸塑等等,其中正極材料、負極材料、隔膜和電解液被稱為關鍵材料,鋰離子電池的性能主要取決於這幾種關鍵材料。而在鋰電池製造的材料成本中,正極材料占的比重最大,在30%以上。所以在鋰離子電池的發展中,研究高質量低成本的正極材料是關鍵的任務之一。

自鋰離子電池誕生以來,其發展經曆了曲折的過程。正極材料發展到現在雖種類繁多,但真正應用於商業化的鮮有罕見。而作為一種理想的鋰離子電池正極材料要求具有以下電化學性能:

(1)具有層狀或隧道的晶體結構,以利於鋰離子的嵌入和脫出,結構牢固,在充放電電壓範圍內的穩定性好,使電極具有良好的充放可逆性,以保證鋰離子電池的循環壽命;

(2)充放電過程中,應有盡可能多的鋰離子嵌入和脫出,使電極具有較高的電化學容量;

(3)在鋰離子進行嵌脫時,電極反應的自由能變化應較小,以使電池有較平穩的充放電電壓,以利於鋰離子電池的廣泛應用;

(4)鋰離子應有較大的擴散係數,以減少極化造成的能量損耗,保證電池有較好的快充放電性能;

(5)分子量小,提高重量能量密度;摩爾體積小,提高體積能量密度。

另外,從實用角度來講,正極材料應原料來源廣泛,價格便宜,易於工業化,並對環境無汙染等。

目前研究的正極材料可分為兩類:即純相類和改性類。對純相類的有鈷氧化物、鎳氧化物、錳氧化物、釩氧化物、多原子陰離子正極材料、其他正極材料等。

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改性類顧名思義是對純相類材料進行結構上的改性技術處理,主要包括包覆和摻雜等手段。如三元(如鎳鈷錳酸鋰)或二元(如鎳錳酸鋰)正極材料等。

商業化的正極材料常見性能列表如下:

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