锂电池正负极材料的改进

锂电池正负极材料的改进锂电池正负极材料的改进自从锂电池出现以后，人们明显地感受到锂电池比传统的铅酸电池具有更多的优点，因此人们一直在研究，如何在电动汽车上实际应用锂电池。锂电池要在电动汽车上使用，粗略地讲，是希望锂电池容量密度更高些，价格更便宜些，汽车续航更远些，充电时间更短些，使用过程更安全一些。要实现这些目的最关键的问题是关于正负极材料、电解质方面的研究。关于正极材料的改进，人们希望增加新元素，有效嵌入正离子，增大容量密度’，希望在增多循环次数的情况下正极材料不脱落，希望价格便宜。关于负极材料的改进，人们希望更有效地嵌入正离子，增大‘容量密度’，希望在增多循环次数的情况下负极材料不脱落，希望价格便宜。关于改进正离子在电解液中的传导速度问题，本系列在介绍过液态、聚合态、固态锂电池。二.正极材料的改进二.正极材料的改进磷酸铁锂电池的优点是：磷酸铁锂电池的优点是：关于续航更远的问题，那是单体电池的组装问题。只要单体电池性能好，可以将若干单体片状，再做成电池块和电池组，如果一组电池可续航50公里，那么2组电池就可以续航100公里。关于缩短充电时间问题，那是按照电池特性采用智能充电方法实现的，这将在本系列（117）中叙述。本文仅介绍锂电池正负极材料的改进问题。一.二元锂电池的优缺点及其改进的关键问题所谓二元锂电池，主要是指正极材料是由‘掺杂两种元素‘的‘锂盐’，例如“磷酸铁锂”这种锂盐。二元锂电池的结构比较简单。正极铝箔上涂布由二元锂盐粉末、电解液、粘合剂做成的浆料；负极铜箔上涂布由石墨粉末、电解液、粘合剂做成的浆料；正负极之间有一层离子能够通过的‘离子膜’。锂电池的工作原理也比较简单。放电时，正极的锂原子失去电子变为正离子，电子通过外部电路由正极跑到负极；正锂离子在电池内部从正极透过隔膜到达负极并嵌入到负极材料中；正极释放电子,负极获得电子,形成外部电流。锂电池的充电过程是一个反向过程。1、单体磷酸铁锂电池的寿命长。在同样的条件下，磷酸铁锂电池可使用7到8年的时间。2、使用安全。磷酸铁锂电池经过严格的安全测试，即使在交通事故中也不会发生爆炸。3、充电快速。使用专用充电器，充电40分钟即可以使电池充满。4、磷酸铁锂电池耐高温，在350℃左右的温度下仍可以稳定工作。5、磷酸铁锂电池的容量较铅酸电池大很多。6、磷酸铁锂电池没有记忆效应。7、磷酸铁锂电池绿色环保，无毒，无污染，原材料来源广泛，价格便宜。磷酸铁锂电池的缺点是：1、磷酸铁锂电池正、负极材料的震实密度小，这不仅会影响电池的’容量密度’，而且在充放电过程中正极材料容易脱落，从而影响电池寿命。2、磷酸铁锂电池的低温性能差。3、磷酸铁锂电池单个电池的寿命长，但是其电池组的寿命短。1.三元锂电池三元锂电池的正极材料例如普遍使用的〃镍钴锰酸锂”含有锲、‘钻‘、‘锰’三种活性元素，这样的结果是提高了锂电池的能量密度。与二元锂电池比较，三元电池比较明显地提高了能量密度，单体电池的电压也提高了，可以作为动力电池使用了。三元电池存在的问题就是锂电池的改进方向：1）在安全性方面。当过充电，或大电流放电时，电池发热；磷酸铁锂材料到了250以上才会出现放热现象安全性相对较高三元电池在180以上就会出现自加热、内部会产生少量氧气，常常会发生电池起火爆炸的危险。这是一个令人头疼的缺点。人们迫切希望解决锂电池使用安全的问题。2）金属钻稀缺，价格高。人们希望锂电池减少钻的用量，降低电池价格。.四元锂电池四元锂电池的正极材料，是在锂盐中添加了‘镍‘、‘钻‘、‘锰’、铝’四种活性元素，其中镍含量达80-90%,增加了能量密度;钻含量仅占5%，降低了成本;锰和铝元素的加入可以在高镇的前提下提高放电的稳定性。.无钻锂电池无钻锂电池是目前很多电池企业的研究方向之一。为什么要‘无钻’？这是因为地球中的钻含量太少了，使用钻的电池不仅价格高，而且将来会无钻可用。以前的锂电池中为什么都有钻元素？这就需要说明正极材料嵌入‘正锂离子’的原理。在正极材料中，‘镍’为嵌入‘正锂离子’搭起了一个‘框架’，‘钻’是用于稳定这个‘框架’的；当放电时，嵌入在‘框架’中的正离子因失去电子而游离向负极；当充电时，如果正极用于嵌入正离子的‘框架’不稳定，‘正锂离子’再返回‘框架’就困难了，那么电池性能就不行了。

料嵌入离子的架构无钻电池的目标，就是让正极材料的‘嵌入正离子的框架稳定’。锂电池正极材料嵌入离子的架构无钻电池的目标，就是让正极材料的‘嵌入正离子的框架稳定’。锂电池正极材以前的三元、四元锂电池的正极材料都含有‘钻’，正极材料一般是采用纳米颗粒；目前改进办法是‘将无钻正极材料’做成‘多晶’形态或‘单晶’形态，这样虽然无‘钻‘，反而改进了嵌入正离子的效果，增加了电池的能量密度。什么是‘多晶‘或‘单晶’形态？打个比方，大家熟知的白糖是‘多晶’态，冰糖是‘单晶’态。实验证明，在电池提高放电性能、提高充电功率、延长电池寿命、增加电池安全性方面，正极材料的‘单晶’态比‘多晶’态效果好。有些企业正准备量产‘无钻锂电池’。二.负极材料的改进较为理想的负极材料最好要具备以下7点条件:①化学电位较低，与正极材料形成较大的电势差，从而得到高功率电池；②在负极材料中‘锂离子’应该容易嵌入和脱出，有较稳定的充放电电压；③具备较高的循环比容量；④有良好的电子电导率和离子电导率；⑤有良好的稳定性，对电解质有一定的兼容性；⑥材料来源丰富，价格低廉，制造工艺简单；⑦安全、绿色无污染。符合以上各个条件的负极材料目前基本不存在，因此研究'能量密度高’，‘安全性能好’，‘价格便宜’，‘材料易得’的新型负极材料，是现阶段锂电池研究领域的重点问题。现阶段，锂离子电池负极材料主要有碳材料、过渡金属的氧化物、合金材料、硅材料及其它含硅材料，含锂的过渡金属的氮化物以及钛酸锂材料。人们对各种材料的比容量和性质都做过研究。在二元和三元锂电池中，通常使用的负极是“石墨”或者“活性炭”；这种活性材料的优点是材料内部存在的细小间隙正好用于嵌入‘正离子’；缺点是，这种材料的压实度不高，影响电池的‘容量密度’，另外，‘正离子’嵌入后会引起分子间的位移，会使得阴极材料‘松动’和脱落，影响电池的循环寿命。人们曾经尝试用硫化锂做阴极材料，发现‘能够增加容量密度’，但是’会影响放电速度’，‘还会产生多硫化合物残留在电解液中’，这种阴极材料不理想。人们曾经尝试用‘石墨烯’做阴极材料，发现'能够有效增加容量密度’，提高放电速度’，但是价格较贵，材料的压实性也不理想。人们尝试了很多种锂电池的负极材料，到目前为止，发现硅负极材料具有极高的‘理论比容量’，是未来高能量密度动力锂离子电池负极材料首选。但硅负极材料在充放电循环过程中体积变化大，这会造成硅颗粒粉化，脱落，从而影响锂电池的循环寿命。为了克服体积膨胀问题，需对硅材料做变性处理，做成“碳-硅”负电极材料。现在使用的简单办法通常有下面2种。第一种方法，把纳米硅粉和纳米碳粉按一定比例（1:9）混合，再研磨生成“纳米级的碳-硅复合材料”。第二种方法，把硅纳米粉与有机物混合做成‘凝胶’，再放在高温下把有机物变成碳，于是碳就紧密的包裹纳米硅了。采用“碳-硅”复合的负电极材料，当锂离子嵌入这种复合材料时，硅的膨胀受到碳膨胀的约束；于是，这种负极材料不仅嵌入锂离子的容量极大地增高了，而且材料的体积膨胀也大大地减小了，充放电的循环次数增高了。与石墨负极的锂电池匕比较，电容量提高了5倍，充放电循环次数性能提高了1倍。如果将硅做成单晶形态，再做成“碳-硅”复合的负电极材料，效果一定很好。如果将硅和碳纳米管复合，硅和富勒烯复合，也一定是一种极好的负极材料。四.目前动力锂电池汽车能跑多远单体锂电池只有3.2—3.7V，要