温度对Li2CoSiO4正极材料的结构和性能的影响研究【文献综述】.doc

文献综述 化学 温度对Li2CoSiO4正极材料的结构和性能的影响研究 一、能源发展概况及研究锂离子电池的意义 人类社会是一个鲜活的组织，维持运行的要素是物质构架、能量驱动和信息互动。能源是与人类社会的生存发展休戚相关的，而全体人类的共同奋斗的目标与愿望就是可持续发展。[1]如今社会，全世界人们使用的主要能源不外乎石油、煤矿与天然气，然而随着能源需求的不断增加与能源的不可再生性，使得大多数的能源接近枯竭。另一方面，这些能源燃烧使用后对环境产生的污染是有目共睹的：温室效应、全球气候变暖、酸雨、臭氧空洞、紫外辐射加强等等。[2]为实现可持续发展，必须保护人类赖以生存的自然环境与自然资源，这是人类进入21世纪之后面临的一个严重挑战。人类要进一步来改善能源的结构，并且同时开发新型的清洁能源，以此来实现可持续发展。[3]世界上许多国家出台很多政策，鼓励人们开发寻找新能源来逐步代替日渐枯竭的、污染严重的自然能源资源，比如太阳能，风能，水能，还有地热，核动力，还有现在很热门的汽车里的混合动力，而混合动力的最关键的就是电池的电量和耐力。最近各大汽车厂商都在加大力度研究化学电池。 电池也就是电源。电源---即电力之源，就是一种装置利用化学变化，将其他的能量转化为电能。[4]常见的电池有铅酸电池、锌锰干电池等等。较之其他电池而言，锂电池的功能尤为突出显著。首先我们来看镍镉蓄电池。我们知道镉有毒，因此对生态环境不利，而且其放电过程中因为“记忆效应”使其寿命大大减弱是它最大的一个缺点。还有一种铅蓄电池，因其有腐蚀作用，所以对环境有污染，并且他的比能量也小……锂电池越来越多的出现在了人们的眼中，无论从生活中（手机电池、电力车等），还是从工作上（比如IT行业等）都可以见到其身影。锂电池已经成为了全世界电池商品开发的最大热点：安全性好、比能量高、电压高和放电性能稳定，且对环境无污染是其一系列的优点。不仅仅是我们平常能看到的，锂电池在一些航空航天等方面也具有很大的发展潜力。[5] 二、锂离子电池的诞生 锂离子的诞生和任何事物的诞生一样具有其一定的背景。人们第一次寻找新的能源来代替石油是由于20世纪60、70年代全世界发生的那场石油危机。由于金属锂具有在所有金属中氧化还原电位最低、最轻的特点，因此锂电池成为了人们首先寻找新型的能源之一。锂原电池的商品化在20世纪70年代初期实现。此电池应用比较广泛，有军用和民用之分，并且种类繁多。[6] 随着人口数量的不断上涨以及地球能源资源的不断枯竭，迫使人们提高对能源资源的利用率，而采用充电电池就是有效的途径之一，再者从环保角度上考虑，铅、镉等有毒金属的使用日益受到限制，需要寻找新的可替代传统铅酸电池和镍-镉电池的可充电电池，从而推动了锂二次电池的研究与发展。[7] 三、锂离子电池正极材料及其研究概况 由锂离子电池工作原理中看，电池工作时的充放电过程其实是锂离子在两个电极间重复脱嵌的过程。[8]由此，正极作为锂离子的嵌基材料有以下的几点特征： 1) 在充电与放电的事后，金属离子应该是有较高的氧化还原电位的，这样可以使电池的输出电压比较高，并且为了得到高容量，在化合物LixMyXz 中x 的数值要尽可能的越大越好。 2) 在充放电的事后要力求保证材料结构不会发生变化，其可逆性好，并且可以很稳定地进行充放电。 3) 嵌入材料化合物的导电率以及离子的导电率都较好，用以减少极化的发生，且能够增大其充放电的电流；并且此化合物要有较好的化学稳定性，不会与其他电解质发生不必要的化学反应等。 4) 正极材料要有比较高的导电性，以便于充放电速度。 5) 重要的一点，材料对环境没有污染，这样就方便制造以及生产，价格低廉、经济。[9] 正极材料[10]都是层状盐（α-NaFeO2）结构，组成式为LiMO2(M=Ni、Co)，它是属于R3m点群，如图1所示。这些结构的基本骨架是氧离子按ABC叠层立方密堆积排列起来的，LiNiO2和LiCoO2具有二维结构[11]，阳离子占据了结构中的氧八面体间隙，其中的阴离子和氧离子数目相当。在立方结构[12]的（111）面上Li+和Co3+（或者是Ni3+）交替排列，引起点阵畸变而变为六 图1 LiCoO2结构示意图 方对称氧负离子[13]在（6c）的位置，而正离子则分别在（3a）和（3b）的位置上。如LiCoO2，在…Li-O-Co-O-Li-O…这层中，因为Li、Co与氧原子之间存在着差异性的相互作用，所以Co3+与O2-之间有最强的化学键，另外通过Li+的静电作用使得0-Co-O层与层束缚在一起，由此整个晶胞[14、15]处于稳定的状态。氧化钴锂一般有层状和尖晶石两种结构，通常在说的氧化钴锂一般指的是层状结构的。尖晶石结构的一般被人所忽略，原因是循环性能不好，而且其结构不稳定。 层状结构