材料电化学论文-聚合物锂离子电池正极材料研究进展.pdf

《材料电化学》课程论文 聚合物锂离子电池正极材料研究进展 李 晨 （冶金与环境学院，153511010 ） 1.前言 作为20世纪中期产生并迅速发展起来的新型绿色能源，锂离子电池相较于传 统的MH-Ni 电池，铅酸蓄电池，镍镉电池等二次电池具有诸多优势，如工作电压 高(锂离子电池工作电压大于3.6V，而铅酸蓄电池为2.0 V，MH-Ni 电池，镍镉电 池则只有1.2V)、体积/质量比能量高、使用温度范围宽、循环寿命长、绿色环保、 无记忆效应、自放电率低以及可大电流充放电等等。锂离子电池优越的性能使得 它在实际运用中涉猎范围很广，从日常生活的数码产品、家用电器中的小容量电 池，到动力汽车、航天、军工中的大容量高功率电池，都有着锂离子电池的身影。 聚合物锂离子电池，是指由正极(钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂、三 元材料等) 、负极(石墨、碳纤维、玻璃碳等) 、聚合物电解质（纯固态聚合物电解 质，凝胶聚合物电解质，复合聚合物电解质）、隔膜以及保护电路组成的二次电 池，此处的聚合物强调的是电解质材料。通常来讲，聚合物锂离子电池和液态锂 离子电池所用正负极材料是一致的。而在锂离子电池产品组成部分中，正极材料 占据着最重要的地位，因为锂离子电池是正极限制电池（正极的容量决定电池最 终的容量），同时正极材料占有较大的质量比例（正负极材料的质量比为3 ：1~4 ： 1）,正极材料的好坏，直接影响锂离子电池最终的性能，其成本也直接决定电池 成本高低。可以说，正极材料是整个锂离子电池技术的核心和关键。 2.锂离子电池正极材料 锂离子电池正极材料一般应该满足如下条件： （1）正极材料应有较高的电极电位，使电池有较高的输出电压； （2 ）锂离子能够在正极材料中大量地可逆地嵌入和脱嵌，以使电池有高的 容量； （3 ）在锂离子嵌入/脱嵌过程中，正极材料的结构应尽可能不发生变化或发 生轻微变化，以保证电池良好的循环性能； （4 ）正极的氧化还原电位在锂离子的嵌入/脱嵌过程中变化应尽可能小，使 电池的电压不会发生显著变化，以保证电池平稳地充电和放电； （5 ）正极材料在锂离子的嵌入/脱嵌过程中材料结构不发生塌陷，使电池的 电压不会发生显著变化，以保证电池安全性； （6 ）正极材料应有较高的电导率，能使电池大电流地充电和放电； 1 《材料电化学》课程论文 （7 ）正极不与电解质等发生化学反应； （8 ）锂离子在电极材料中应有较大的扩散系数，便于电池快速充电和放电； （9 ）价格便宜，对环境无污染。 现有的锂离子电池正极材料有很多种类，目前已经市场化的产品包括钴酸锂 （层状）、镍酸锂（层状）、锰酸锂（尖晶石型LiMn O ,、层状LiMnO ）、磷 2 4 2 酸铁锂 （橄榄石型）和三元材料等等。随着科技的发展也有新型材料陆续出现， 如正硅酸盐Li MSiO (M=Fe,Mn)类正极材料，含V正极材料，有机物正极材料以 2 4 及其他新型锂离子电池正极材料。 2.1过渡金属氧化物 20 世纪八十年代出现的作为正极材料的过渡金属氧化物锂盐主要包括钴酸 锂，镍酸锂和锰酸锂。[1] 2.1.1钴酸锂 钴酸锂作为锂离子电池正极材料的研究开始于 1980 年，20 世纪90 年代便 进入市场。由于钴酸锂的结构比较稳定，是一种非常成熟的正极材料产品，目前 占据锂电池正极材料市场的主导地位。但由于其高昂的价格和较差的抗过充电能 力，造成了其使用寿命较短的问题，而且钴有放射性，不利于环保，因此发展受 [2] -1 到限制。LiCoO2 的理论容量 为274mAh ·g ，但由于反应速率和材料稳定性等 原因，其实际容量为140~155mAh ·g-1 。作为正极材料，钴酸锂具有容量高、电 压高