锂电池电极材料综述

1、锂电池正极材料综述1、引言锂离子电池的性能主要取决丁所用电池内部材料的结构和性能。这些电池内 部材料包括负极材料、电解质、隔膜和正极材料等。其中正、负极材料的选择和 质量直接决定锂离子电池的性能与价格。因此廉价、高性能的正、负极材料的研 究一直是锂离子电池行业发展的重点。负极材料一般选用碳材料，耳前的发展比 较成熟。而正极材料的开发已经成为制约锂离子电池性能进一步捉高、价格进一 步降低的重要因素。在冃前的商业化生产的锂离子电池中，正极材料的成本大约 占整个电池成本的40%左右，正极材料价格的降低直接决定着锂离子电池价格的 降低。对锂离了动力电池尤其如此。衡量锂离子电池正极材料的好坏，大致可以从

2、以下儿个方面进行评估：（1） 正极材料应冇较高的氧化还原电位，从而使屯池冇较高的输岀屯压；（2）锂离子 能够在正极材料屮大量的可逆地嵌入和脱嵌，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小发生变化，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）正极材料应冇较高的电导率，能使电池大电流地充电和放电；（6）正极 不与电解质等发生化学反应；（7）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；（8）价格便宜，对环境无污染。目

3、前已批量应用于锂电池的正极材料主要有钻酸锂、镰酸锂、猛酸锂、钻牒 锚酸锂（三元材料）以及磷酸铁锂。2、正极材料介绍2.1 licoo2钻酸锂：研究始于1980年，20世纪90年代开始进入市场。它属于a-nafeo2 型层状岩盐结构，结构比较稳定，是一种菲常成熟的正极材料产品，目前占据锂 屯池正极材料市场的主导地位。其理论容量为274mah/g,实际容量为140mah/g 左右，也冇报道实际容量已达155mah/go该正极材料的主耍优点为：工作电压 较高（平均工作电压为3.7v）、充放电电压平稳，适合大电流充放电，比能量高、 循环性能好，电导率高，生产工艺简单、容易制备等。主要缺点为：价格昂贵,

4、 抗过充电性较差，循环性能有待进一涉提高。而且钻有放射性，不利于环保，因 此发展受到限制。2.2 linio2 用丁锂离子屯池正极材料的linio2具有与licoo2类似的层状结构。其理论能量 密度达276mah/g,但制作难度大，且安全性和稳定性不佳。技术上采用掺朵co、 mn、al、f等元素来提高其性能。由于提高银酸锂技术研究需考察诸多参数， 工作量大，口前的进展缓慢。工作电压范围为2.54.2v。该正极材料的主要优 点为：口放电率低，无污染，与多种电解质有着良好的相容性，与licoo2ffl比 价格便宜等。但linio2貝有致命的缺点：linio2的制备条件非常苛刻，这给 linio2的

5、商业化生产带来相当大的困难；linio2的热稳定性差，在同等条件下与 licoo2和limcu正极材料相比，linio?的热分解温度最低(200°c左右)，且放 热量最多，这对电池带來很大的安全隐患；linio2在充放电过程中容易发生结构 变化，使电池的循环性能变差。这些缺点使得linich作为锂离了电池的正极材 料还有一段相当的路要走。2.3limn2o4用于锂离了电池止极材料的limn2o4具有尖晶石结构。其理论容量为148 mah/g, 实际容量为90120 mali/go工作电压范围为34v。该正极材料的主要优点为： 镒资源丰富、价格便宜，安全性高，比较容易制备。缺点是理论容

6、量不高；材料 在电解质屮会缓慢溶解，即与电解质的相容性不太好；在深度充放电的过程屮， 材料容易发生晶格崎变，造成电池容量迅速衰减，特别是在较高温度下使用时更 是如此。为了克服以上缺点，近年新发展起來了一种层状结构的三价猛氧化物 limno2o该正极材料的理论容量为286 mah/g,实际容量为已达200 mah/g左右。 工作电压范围为34.5vo虽然与尖晶石结构的limn2o4相比，limnch在理论容 量和实际容量两个方面都有较大幅度的提高，但仍然存在充放电过程中结构不稳 定性问题。在充放电过程中晶体结构在层状结构与尖晶石结构z间反复变化，从 而引起电极体积的反复膨胀和收缩，导致电池循环性

7、能变坏。而且limno2也存 在较高工作温度下的溶解问题。解决这些问题的办法是对limno2进行掺朵和表 面修饰。目前已经取得可喜进展。2.4lifepo4该材料具有橄榄石晶体结构，是近年来研究的热门锂离子电池正极材料之一。其 理论容量为170 mah/g,在没有掺朵改性时其实际容量已高达110 mah/go通过对 lifepo4进行表面修饰，其实际容量可高达165 mah/g,已经非常接近理论容量。 工作电压范围为3.4v左右。与以上介绍的正极材料相比,lifepo4貝有高稳定性、 更安全可靠、更环保并且价格低廉。此外，它在大电流放电率放电(510c放 电)、放电电压平稳性、安全性、寿命长等

8、方面都比其它几类材料好，是最被看 好的电流输出动力电池。目前a123公司已能将磷酸铁锂止极材料制造成均匀的 纳米级超小颗粒，使颗粒和总表面积剧增，进一步体高了磷酸铁锂电池的放电功 率和稳定性。基于以上原因，lifepo4在大型锂离子电池方面有非常好的应用前 景。但要在整个锂离子电池领域显示出强大的市场竞争力，lifcpo4却而临以下 不利因素:(1)来自limn2o4> limno2> linimo2正极材料的低成本竞争;(2) 在不同的应用领域人们可能会优先选择更适合的特定电池材料；（3） lifepcu的 电池容量不高；（4）在高技术领域人们更关注的可能不是成木而是性能，如应用 于手机与笔记木电脑；（5） lifepcu急需提高其在1c速度下深度放电吋的导电能 力,以此提高其比容量。（6）在安全性方面，licooz代表着口前工业界的安全 标准，而且linio2的安全性也已经有了大幅度的提高，只有lifepcu表现出更高 的安全性能，尤其是在电动汽车等方面的应用，才能保证其在安全方面的充分竞 争优势。2.5钻葆猛酸锂即现在常说的三元材料，它融合了钻酸锂和猛酸锂的优点，在小型低功率电 池和大功率动力电池上都有应用。但该种电池的材料