锂离子电池电极材料综述精VIP免费

锂离子电池电极材料综述一、引言从上世世纪70年代起锂离子电池的研究至第一个可充式锂-二硫化钼电池于1979年研究成功，再到1991年SONY公司首次推出商品化锂离子电池产品算起，锂离子电池的发展至今已有30多年的时间。锂离子电池是以Li+嵌入化合物为正负极的二次电池，实际上是一个锂离子浓差电池，正负极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。与其它蓄电池相比，锂离子电池具有开路电压高、循环寿命长、能量密度高、安全性能高、自放电率低、无记忆效应、对环境友好等优点。目前，锂离子电池已经被广泛应用于移动通讯、便携式笔记本电脑、摄像机、便携式仪器仪表等领域。随着这些电器的高能化，轻量化，对锂离子电池的需求也越来越迫切。同时被看作是未来电动汽车动力电源的重要候选者之一，并在空间技术、国防工业等大功率电源方面展示出广阔的应用前景二、工作原理锂离子电池通常正极采用锂化合物，负极采用锂－碳层间化合物。电介质为锂盐的有机电解液。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，正极处于贫锂态，同时电子的补偿从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡。放电时，Li+从负极脱嵌经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态。在正常充放电过程中，Li+在层状结构的碳材料和层状结构的金属氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层面间距变化，不破坏晶体结构。三、电极材料（1）电极材料的性能要求简单来说，电池主要包括正极、负极、电解质与隔膜四个部分。正极材料通常是一种嵌入化合物，在外电场作用下化合物中的锂可逆的嵌入和嵌出；负极材料一般是层状结构的碳材料。锂离子电池正极材料在改善电池容量方而起着非常重要的作用。理想的正极材料应具备以下品质：点位高、比能量大、电池充放电速率快、充放电循环寿命长、密度（包括重量能量密度和体积能量密度）大、导电率高、无环境污染、成本低、易制成电极和低温性能好等。选取负极材料的依据是锂在其中可逆容量、反应电位、扩散速率等。理想的负极材料应具有电位低、比能量大、电池充放电速率快、充放电循环寿命长、密度（包括重量能量密度和体积能量密度）大、导电率高和低温性能好等优良品质。为了提高电极材料的电化学性能，我们需要对其修饰改进，处理方法不同得到的电极材料的电化学性能也不相同，碳包覆、金属掺杂等多种手段都被用于电极材料电化学性能的改进。（2）正极材料在所要求的充放电电位范围内，正极材料应具有与电解质溶液良好的电化学相容性，温和的电极过程动力学和高度的可逆性。根据材料中阴离子的种类，正极材料可以分为氧化物、聚阴离子化合物、硫化物和氟化物。氧化物正极材料一般都含有锂，而第二阳离子通常为第一过渡金属系元素，如V、Mn、Co、Ni等。根据材料的结构，氧化物材料又可以分为层状与尖晶石结构两大类。下面介绍几种常见的正极材料。1.LiCoO2LiCoO2是目前商品化锂离子电池中最常用的正极材料。在可逆性、放电容量、充电效率、电压的稳定性等各方面综合性能最好。LiCoO2的合成条件比较宽松，制备工艺简单，能采用多种方法合成，目前常用固相合成法，原料通常采用Li2CO3和Co3O4。尽管LiCoO2的理论可逆容量可达到274mAh/g，但由于在充放电过程中，Li+的反复嵌入与脱出会造成LiCoO2的结构在多次收缩和膨胀后发生从三方晶系到单斜晶系的相变，同时还会导致LiCoO2发生粒间松动而脱落，使内阻增大，容量减小。实际使用时，只有部分锂能够可逆地嵌入和脱出，Li1-xCoO2的容量一般被限制在120-150mAh/g左右，x=0.5时，相当于140mAh/g的容量。过充电将导致容量衰减和极化电压增大，使其循环性能大大降低。且由于钴属于战备物资，资源有限，价格较贵，且对环境有污染，不利于锂离子电池的推广应用。因此，开发廉价的、新的锂离子电池正极材料一直是人们的研究目标。2．LiFePO4LiFePO4是一种橄榄石型的化合物，属于正交晶系，O2－采取微变形的六方密堆积方式，四面体位由P5+占据，形成(PO43－聚阴离子，Li和Fe占据交替的a-c面上的八面体空隙，形成一个具有二维锂离子嵌脱通道的三维框架结构。由于LiFePO4结构稳定，材料本身具有良好的循环性能和热稳定性，自1997年Goodenough等首次提出具有橄...