鋰離子二次電池正極材料

研究進(jìn)展

鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁(yè)!電池是一種利用電化學(xué)的氧化-還原反應(yīng)，進(jìn)行化學(xué)能------電能之間轉(zhuǎn)換的儲(chǔ)能裝置。

電池一次電池二次電池鋅錳干電池紐扣電池鋰原電池鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁(yè)!鋰離子電池鉛酸電池鋰離子電池一次電池鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁(yè)!一、鋰離子電池1．鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁(yè)!3．鋰離子電池工作原理鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁(yè)!5．鋰離子電池的組成電池正極負(fù)極電解質(zhì)LiCoO2

、

LiNiO2

、

LiMn

2

O

4

等人造石墨系列、天然石墨系列、焦炭系列等有機(jī)溶劑電解質(zhì)（液態(tài)）

聚合物電解質(zhì)（固態(tài)、凝膠）鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁(yè)!1.工作電壓高2.能量密度高3.自放電速率低4.循環(huán)壽命長(zhǎng)5.無(wú)記憶效應(yīng)6.環(huán)保優(yōu)點(diǎn)1.快充放電性能差、大電流放電特性不理想2.價(jià)格偏高3.過(guò)充放電保護(hù)問(wèn)題缺點(diǎn)鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁(yè)!大多數(shù)可作為鋰離子電池的活性正極材料是含鋰的過(guò)渡金屬化合物，而且以氧化物為主。目前已用于鋰離子電池規(guī)模生產(chǎn)的正極材料為L(zhǎng)iCoO2。材料名稱(chēng)理論比容量實(shí)際比容量電位平臺(tái)性?xún)r(jià)比特點(diǎn)LiCoO2275mAh/g130~1404V3性能穩(wěn)定，高比容量，放電平臺(tái)平穩(wěn)LiNiO2274mAh/g170~1804V2高比容量，價(jià)格較低熱穩(wěn)定性較差LiMn2O4148mAh/g100~1204V1低成本，高溫循環(huán)和存放性能較差三、鋰離子電池正極材料研究現(xiàn)狀鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁(yè)!LiCoO2工作區(qū)間：鋰脫出量X＜0.5，工作平臺(tái)位于4.0V，比容量137mAh/g，循環(huán)性能好。當(dāng)鋰脫出量X＞0.5時(shí)，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，需要充電保護(hù)。理論比容量275mAh/g。鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁(yè)!LiNiO2具有與LiCoO2相同的結(jié)構(gòu)，理論比容量為274mAh/g，實(shí)際可達(dá)到180mAh/g以上，遠(yuǎn)高于LiCoO2，不存在過(guò)充電現(xiàn)象，并具有價(jià)廉、無(wú)毒，等優(yōu)點(diǎn)。（1）制備困難。存在的主要問(wèn)題（2）結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易生成Li1-yNi1+yO2。使得部分Ni位于Li層中，降低了Li離子的擴(kuò)散效率和循環(huán)性能。鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁(yè)!為了提高電導(dǎo)率，我們利用價(jià)非均衡法，對(duì)材料又進(jìn)行Mg了摻雜。使得材料的電導(dǎo)率得到提高，達(dá)到了實(shí)用水平。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，材料的工作電壓和比容量明顯提高，循環(huán)性能得到較大改善。但與實(shí)際應(yīng)用還存在一定差距。鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁(yè)!Mn2O4構(gòu)成的尖晶石基本框架

空位形成的三維網(wǎng)絡(luò)，成為L(zhǎng)i+離子的輸運(yùn)通道。利于Li+離子脫嵌。鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁(yè)!主要解決辦法1.摻雜陽(yáng)離子：利用Co、Ni、Al、Cr等元素?fù)诫s替代，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，提高比容量和循環(huán)性能。2.摻雜陰離子：雜主要是以S和F兩種元素部分取代LiMnO2尖晶石結(jié)構(gòu)中的O，提高晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。3.摻雜復(fù)合離子：在尖晶石結(jié)構(gòu)中引人兩種或兩種以上的有效離子進(jìn)行摻雜，效果會(huì)明顯優(yōu)于單一離子摻雜。鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁(yè)!LiFePO43．動(dòng)力電池正極材料鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁(yè)!存在的主要問(wèn)題（1）結(jié)構(gòu)中沒(méi)有連續(xù)直接的鋰離子通道，使得離子遷移率低。（2）結(jié)構(gòu)中沒(méi)有連續(xù)的FeO6八面體網(wǎng)絡(luò)，電子只能依靠Fe-O-Fe傳導(dǎo)，電子導(dǎo)電率低。鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁(yè)!需要解決的問(wèn)題電池的實(shí)際比容量遠(yuǎn)低于170mAh/g的理論值。有很大的提升空間。提高比容量鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁(yè)!電池的應(yīng)用鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁(yè)!80年代，由Armand提出了“搖椅式”鋰離子二次電池的新概念。提出電池的正、負(fù)極材料采用可以?xún)?chǔ)存和交換鋰離子的材料，利用充放電時(shí)，鋰離子的來(lái)回移動(dòng)進(jìn)行能量交換。層狀化合物L(fēng)iCoO2的合成，發(fā)現(xiàn)石墨可插入鋰離子生成石墨層間化合物L(fēng)ixC6。1991年由日本SONY公司生產(chǎn)出以LiCoO2為正極材料，碳黑為負(fù)極材料的商業(yè)化鋰離子電池。2．設(shè)計(jì)思想鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁(yè)!4．鋰離子電池電極反應(yīng)電池反應(yīng):6C+LiCoO2充電放電正極反應(yīng):LiCoO2Li1-xCoO2+xLi++xe-負(fù)極反應(yīng):6C+xLi++xe-充電放電LixC6充電放電Li1-xCoO2+LixC6鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁(yè)!6．目前鋰離子電池優(yōu)缺點(diǎn)鋰離子電池與鎳鎘、鎳氫電池性能的對(duì)比

技術(shù)參數(shù)

鎳鎘電池

鎳氫電池

鋰離子電池

工作電壓（V）

1.2

1.2

3.6

比容量(Wh/Kg)

50

65

105-140

充放電壽命(次)

500

500

1000

自放電率（%/月）

25-30

30-35

6-9

有無(wú)記憶效應(yīng)

有

有

無(wú)

有無(wú)污染

有

無(wú)

無(wú)

鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁(yè)!二、鋰離子電池對(duì)正、負(fù)極材料的要求(1)具有穩(wěn)定的層狀或隧道的晶體結(jié)構(gòu)。(3)有平穩(wěn)的電壓平臺(tái)。(2)具有較高的比容量。(4)正、負(fù)極材料具有高的電位差。(5)具有較高的離子和電子擴(kuò)散系數(shù)。(6)環(huán)境友好。鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁(yè)!1．層狀結(jié)構(gòu)材料（LiCoO2、LiNiO2等）鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁(yè)!存在的主要問(wèn)題（1）實(shí)際比容量與理論值275mAh/g有較大差距。（2）資源匱乏，成本高。（3）有一定毒害。主要解決辦法利用Ni、Al等元素?fù)诫s替代，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，提高電位和比容量，降低成本。鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁(yè)!主要解決辦法利用Co、Al、Mg等元素?fù)诫s替代，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，提高電位、比容量和循環(huán)性能。改善制備工藝、降低合成條件。我們對(duì)利用Al摻雜替代的LiNi1-xAlxO2材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，Al摻雜可以起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、提高材料電位和比容量的作用。降低材料合成時(shí)對(duì)氧氣氣氛的依賴(lài)程度。材料的電導(dǎo)率有較大下降。鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁(yè)!LiMn2O42．尖晶石結(jié)構(gòu)材料氧離子立方密堆積排列，Li+占據(jù)四面體位置，Mn3+/Mn4+占據(jù)八面體位置。鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁(yè)!LiMn2O4在Li完全脫去時(shí)能夠保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有4V的電壓平臺(tái)，理論比容量為148mAh/g，實(shí)際可達(dá)到120mAh/g左右，略低于LiCoO2。資源豐富、價(jià)格低。存在的主要問(wèn)題結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性差，易形成氧缺位，使得循環(huán)性能較差。鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁(yè)!到目前為止，LiNiO2和LiMn2O4的研究雖有一些突破，有一些應(yīng)用，但還有許多關(guān)鍵問(wèn)題沒(méi)有解決，在性能方面還與LiCoO2有著較大差距。目前LiCoO2仍是小型鋰離子電池的主要正極材料。鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁(yè)!1997年由美國(guó)德克薩斯州立大學(xué)的研究小組首次報(bào)道了LiFePO4具有可逆脫嵌鋰的特性。LiFePO4具有3.5V的電壓平臺(tái)，理論容量為170mAh/g。主要優(yōu)點(diǎn)材料結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)穩(wěn)定性很高。（1）優(yōu)異的安全性能（2）優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，8000次高倍率充放電循環(huán)，不存在安全問(wèn)題。（3）適于大電流放電。溫度越高材料的比容量越大。（4）成本低，環(huán)保。鋰離子二次電池正極材料研究進(jìn)展共30頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁(yè)!主要解決辦法通過(guò)Mg、Al、Ti、Nb和W等元素?fù)诫s，人為制造結(jié)構(gòu)缺陷，來(lái)提高離子遷移率和電子導(dǎo)電率。目前經(jīng)摻雜后離子遷移率和電子導(dǎo)電率