2022年锂离子电池正极材料的分析研究现状和展望 .pdf

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1、1 / 9 本文由兰大材料物理贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。维普资讯 http:/ 第卷第 期 年月化工技术与开发 锂 离 子 电池正 极 材 料 的研究 现 状 和展望曹艳军， 龙翔云 ， 云峰程 广西大学化学化工学院， 广西南宁摘） 要：介绍了锂离子正极材料氧化钴锂、 氧化镍锂、酸铁锂等的研究开发现状 ， 磷 对其特性进行了总结。文献标识码： 文章编号： ）关键词： 锂离子电池； 正极材料； 容量中图分类号： 锂离子电池是以 种不同的能够可逆地插入及脱出锂离子的嵌锂化合物分别作为电池的正极和负极的 次电池体系。充电时，锂离子从正极

2、材料的晶格中脱出，经过电解质后插入到负极材料的晶格中，使得负极富锂， 正极贫锂； 放电时锂离子从负极材料的晶格中脱出 ， 过 电解质 后插入 到 正 极材料经的晶格中，使得正极富锂，负极贫锂。这样正负极材料在插入及脱 出锂离子时相 对 于金属锂的电位的差值，就是电池的工作电压【。 锂离子电池是性能卓越的新一代绿色高能电池已成为高新技术发展的重点之一。锂离子电，池具有以下特点： 高电压、高容量、低消耗、无记忆效应、无公害、体积小、内阻小、自放电少、循环次数多。因其上述显著特点， 锂离子电池已应用到移动电话、笔记本电脑、摄像机、数码相机等众多民用及军事领域。另外， 国内外也在竞相开发电动汽车、航天

3、和储能等方面所需的大容量锂离子电池【 锂离子电池的 主要构 成 材 料 包 括 电解液 、 隔离 层 状或隧道结 构 ， 以利于锂离 子 的脱 嵌 ， 且在锂离子脱嵌时无结构上的变化， 以保证电极具有良好的可逆性 能 ； 锂离子在其中的嵌入和脱出量大，电极有较高的容量， 并且锂离子脱嵌时， 电极反应的自由能变化不大， 以保证电池充放电电压平稳； 锂离子在其中应有精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 9 页2 / 9 较大的扩散系数， 以使电池有良好的快速 充放电性能。锂离子 电池一般选用过渡性金属氧化物 为正极材料。一方面过渡

4、金属存在混合价态，电子导电性比较理想， 另一方 面不易发生 歧 化 反应。理论上具有层状结构和尖晶石结构的材料， 都能做锂离子电池的正极材料， 由于制备工艺上存在困难， 但 目前所 用 的正极材料仍 然 是钻、 、 的 氧化 物 ， 镍 锰 常见的正极材料 有 ： 化 钻 锂 ）氧 化氧 、镍锂 、 ）氧化锰 锂 ）钒的氧化物 ）。另和 外还出现了一些 新 型 的正极材 料 ， 正极如 膜、正负极材料等。正极材料占有较大比例 正负极材料的质量比例为 ：）因此正极材料的性： ， 能直接影响着锂离子电池的性能， 其成本也直接决定电池成本高低 。材料和导电聚合物正极材料。 氧化钴锂 ）有种物相， 具

5、即层状 结 构 相 、 晶石尖型结构相和岩盐结构相。目 前在锂离子电池中应用 正极材料正极材料在性质上一般应满足以下条件： 在要求的充放电电位范围， 与电解质溶液具有相容性； 温 和 的电极过程动力 学 ；最多的 是 层 状 其理 论 容 量 为 ， ? 实际容量 优点为： ， ? 。其工作电压高， 充放电电压平稳， 适合大电流放电，比能量高， 循环性能好 循环寿命已达次）。缺点是： 实际比容量仅为理论容量的 左右， 的 钻 利用率低， 抗过充电性能差， 在较高充电电压下比容量迅速降低。另外钻资源匮乏， 价格高，因此在很大程度上限制了钻系锂离子电池的使用范围，尤其是高度可逆性； 在 全 锂化状

6、态下稳 定性好 。其 结构具 有 以下特点 ：作者简介：曹艳军 ）女，一，广西大学化学化工学院，硕士 ， ： 收 稿 日期： 维普资讯 http:/ 第期曹艳军等： 锂离子电池正极材料的研究现状和展望在电动汽车和大型储备电源方面受到限制。为了改善的电化学性能并降低成本， 通常采用的方法有种， 一种是采用高温固相合成法制备， 但所得材料的电化学性能不易控制。第二种方法是掺杂， 如采用 、 、 等元素对 、 进行掺杂取代， 以稳定层状结构【精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 9 页3 / 9 。在电极材 料中如存在 或 可提高电

7、极导电性， ， 有利于电极活性物利用率和快速充放电性能的提高； 引入过量的锂， 可增加 电极的可逆容量。 氧化镍锂 存在多种结构形式， 中单斜晶系的其 和正交晶系的 具有层状材料结构特征 ， 并具有比较优良的电化学性能。对于层状结构 而言，理想的层状化合物的电化学行为要比中间型的材料好得多。因此如何制备稳定的 层状结构， 并使之具有上千次的循环寿命而不向尖晶石结构转变是急需解决的问题。 具备橄 榄 石 晶 体结构 ， 理论容 量 为 也是 层 状 结 构 其 理 论 容 量 与， 接近 ， ? ， 为 。 实际容量已达到 。而且价格便宜， ? ，储量多，自放电率低，对环境无污染。但也存在着一些

8、缺点，如难合成 。 ，有相对于锂金属负极的稳定放电平台 ， 是近期研究的重点替代材料之一，与同类电极材料相比，具有原料资源丰富，价格便宜， 无吸湿性，无毒， 环境友好， 热稳定性好， 安全性高等优点 。它在充 电状态 的稳定 性 超 过 了层状 的过渡金属氧化物， 这些优点使得它特别适用于动力电池材料。目 前存在的问题是低电导率及由此而产生的可逆容量 的 问题。计量比产物 ， 环容量 衰退较 快 ， 稳 定性较 差循 热 等， 这就是 前 还没有在商业锂离子电目池 中得到 广泛应用 的 主要原因。为了解决 存在的问题， 许多研究者进行了广泛的探索并提出了一系列解决问题的办法， 这些解决 办 法

9、 可 以归结 为 类： 是优化 合 成 条一 件二是对， 进行掺杂改性。在优化 目前人们主要采用固相法制备 粉体， 除此之外， 还有溶胶凝胶、 水热法等软化学方法， 这些方法都能得到颗粒细、纯度高的 粉体。改善 性能的方法 有 ： 杂金属粉末掺合成条件方面比较有效的办法是 ： 在流动氧气中合成； 采用低温合成工艺 ； 在原料中添加过量的锂；采用预氧化技术将二价镍氧化成三价或直接用三价镍做原料。但是仅靠优化合成条件不能从根本上解决循环性能差和热稳定性差的问题。 利用掺杂改性的方法， 常用的掺杂金属有 、 、 、 和碱土金属、 ，、等 同时掺入 、 、 铜或银）掺杂金属离子， 高温状态下的电化 学

10、循环等， 些方法都可 以提高 的电导这 率，增加可逆容量。 钒 的 氧化物 锂钒氧化物以其高容量、 低成本、无污染等优精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 9 页4 / 9 点成为最具有发展前途的锂离子正极材料。由于钒的， 、 等 有利于提高综合性能， 改性的是 发展方 向 。 锰 的 氧化物多价， 可形成 、 及 等多 、 、 种钒氧化物，这些钒氧化物既能形成层状嵌锂化合物 及 ， 又能形成尖晶石型 及反尖晶石型的 等嵌锂化合物。纳 M 正极材 料由于锰资源丰富，价格低廉， 无毒无污染，被视为最具发展潜力的锂离子电池正极材料

11、【 引。锰的氧化物存在尖晶石型的 和层状 种类型。尖晶石型的具有安全性好， 易合成等优点， 目前研究较多的锂离子电池正极材料是之一。但存在 效应【在充 ，作为锂离子电池用的纳M正极材料， 纳 M尖晶石 、 钡镁锰矿型 纳 M 纤维、 聚吡咯包覆尖晶石型纳 M 管 、 聚吡咯 纳 M 复合材料， 其高空隙率为锂离子的嵌入和脱出及有机溶剂分子的迁移提供了足够的空间。目国内的研前 究机构已开发合成了钡镁锰矿型纳M 锰氧化物、钡镁锰矿与水羟锰矿型复合层状纳M 锰氧化物。导电高聚物正极材料 锂离子电池中除了用金属氧化物作为正极材料外，导电聚合物也可以用作锂离子电池正极材料。目前研究的锂离子电池聚合物正极

12、材料有：聚放电过程中易发生结构畸变， 造成容量迅速衰减， 特别是在较高温度的使用条件下， 容量衰减更加突出。三价锰化合物 是近年来新发展起来的一种锂离子电池正极材料， 具有价格低， 比容量高 理论比容量 ? ，。 实际比容量已达到 ? 以上）的优势。维普资讯 http:/ 化工技 术与开发第 卷乙炔、聚苯、 聚吡咯、聚噻吩等， 它们通过阴离子的掺杂、脱掺杂而实现电化学过程。但这些导电聚合物的体积能量密度比较低， 另外反应过程中所需的电解 液体积较大 ， 因此难以获得 高能量密度。 ，） ： 易惠华， 戴永年， 代建清 ， 离子电池正极材料的现等 锂 状与发展云南化工， ）， ：精选学习资料 -

13、 - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 9 页5 / 9 张世超 锂离子电池关键材料的现状与发展产业透 视 ， ，活性聚硫化合物是另一类聚合物正极材料， 利用硫的氧化还原反应实现电化学过程 。其中二巯基一吴宇平， 荣春， 万 姜长印 锂离子二次电池 京 ：北化学工业出版社， 噻二脞 ） 比能量方面有着优势， 在但其在室温下的电化学氧 化 还原过 程 较 慢 ， 以不能 满 足 大所 李景虹 进 电池材料 京 ： 先 北 化学工业出版社， 电流放电的要求。利用导电聚合物如聚苯胺等对其 其鲁 中国锂二次 电池正极材料的发展趋势和产业特点新材料产业，

14、 ），： 李 运姣， 王晨生， 召明 孙 锂离子电池正极材料 和 的研究进 展 稀 有 金 属 与 硬 质 合 金 ， ， ： ）改性， 达到分子水平的偶合， 可使其电极 容量达到 ? ， 表现出 良好的发展前景 。 正 极 材料的展望 ）正极材料 中 在今 后仍 然有 发 展 潜力 ， 对 的研究已较 为成熟， 且 具有良庞明，甘学锋 掺杂对 的结构和 电化学性 能的影响安徽化工， ） ，： 唐致远，刚，李建薛建军，的制备与改性的等探讨电池， ： ， ） 林传 刚 ，晓 干 ， 卫 华 离 子 电 池 正 极 材 料李 仇 锂 其 掺 杂化合物 北 京 科 技 大 学 学 报 ， 及 ， ：

15、 ） 好的电化学性能和 的工作电压， 虽然其实际容量只有理论容量的 ， 但在短期内仍将是市场的主流产品。与 电解液的相容性不 理想是需要解决的 问题， 而且钴储量有限 ， 价格较高。有储量和价格上的优势， 但需要解决工作电压低和不容易制备的问题。有多方面的优势，但它也存在着与电解液的相容性不佳， 高温容量衰减突出的问题。近期的主要正极材 料仍然是过渡金属氧化物及其系列复合材料。 ）结构稳定 、 环 性 能 优 异 的 聚 阴离子 型化 循 合物是一类很有前途的锂离子电池正极材料， 但是其 电化学性能 受 到较差 的 锂嵌脱 动 力 学 的 限制， 还有很大 的研究空 间 。 ） 在以后的几年中

16、高能量密度的聚合物正极材料以及有机硫化物和无机硫化物将成为锂离子电池的新一代正极材料。参考文 献 ： 闫时建， 田文怀， 其鲁 离子电池正极材料钴酸锂近锂 期研制进展 兵 器 材料科 学与工 程 ， ） ， ： 曹文玉，惠敏，顾翟玉春，锂离子电池正极材料精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 9 页6 / 9 等的制备与修饰材料与冶金学 报 ， ， ） ：高 德 淑， 苏光耀 ， 肖启振 ， 锂 离子电池正 极材料等的研究进展 电池工业， ： ， ） 贺慧，程璇， 张颖， 合成气氛对 等 性 能的影响电源技术， ） ，： 刘 进

17、 ， 李碧玉， 吴绍华， 等 锂锰新型电池材料的研究与开发湿法冶金， ）， ： ， ， ， ： ）钟参云，曲涛， 田彦文 锂离子 电池正极材料 的研究进展稀有金属与硬质合金， ）， ： ， ， 张 爱 波 ， 建 睿 ， 卫 东 离 子 蓄 电池正 极 材 料 刘 黄 锂一的研究进展电源技术， ） ， ： ， ： 一 施志聪， 杨勇 聚阴离子型锂离子电池正极材料研究进展化学进展， ） ， ： 温兆银 二次 电池的现状与发展 新 材料产业， 锂 下转第 页）维普资讯 http:/ 第期韩毅等： 生物柴油的发展现状及新技术 ，；，； ， 印 ： 锄 ， ） 精选学习资料 - - - - - - -

18、 - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 9 页7 / 9 ） ， ： ，？ ， ， ， ： ： ， ，） ， ， ， ， ， ， ， 鼬 ，叩 打 ， 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 9 页8 / 9 ： 。 ， ） 卜 。 ， ， ， ） ， ： 。 ， ， ， 。 ，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 9 页9 / 9 ： ； ； 上接第 页） ， ， 培 ， ） ， ， ： ； ： 1 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 9 页