锂离子正极材料

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1、锂离子电池正极材料的结构与性能摘要：本文介绍了几种锂离子电池正极材料的结构及其与电化学性能的关系，简述了它们的发展现状与存在的问题，并提出釆用复合石墨烯、进行稀有金属元素的掺杂等办法对材料进行优化，提高其电化学性能。Abstract:ThestructureofseveralLithiumionbatterycathodematerialsandtheelectrochemistryaredescribedinthispaper.Weshowtheproblemswiththesematerialsandthedevelopments・Moreover,some

2、suggeststoimprovetheelectrochemistryperformancebycoatingwithcarbonorgraphiteanddopingwithrareearthmetalsarcgiven.关键词：锂离子电池；正极材料；结构；电化学性能Keywords:lithiumionbattery;cathodematerials,structure;electrochemistry1引言随着世界人口的不断增长，不可再生能源如石油、煤炭的日渐枯竭，以及便携式电子设备的普及应用，绿色、高效的能量存储的需求越来越大。电池在改变储能方式中扮演

3、了重要的角色，尤其是电池可以储存可再生能源，如风能和太阳能。⑴电池作为化学电源，通过氧化还原反应实现化学能和电能之间的相互转化，从而达到存储能量的目的。电池在概念本质上简单，但是它们的开发収得的进展较慢，它们甚至经常成为电子设备中最重的、最昂贵、最不环保的一部分，这是由于缺少合适的电极材料和电解质。锂离子电池同样面临这个问题，正负极材料是决定其性能的重要因素，制约锂离子电池的发展成分屮，正极材料所占的比重最高（约占制造成木的30%-40%）o[2]因此锂离子电池的正材料的研究尤为关键。2锂离子电池的结构及其工作原理锂离子电池主要由正极、隔膜、负极、电解液四部分组

4、成，锂离子经过电解液在正负极之间脱出或嵌入，从而达到充放电目的。充电时，LT从正极材料中脱出，经过电解液穿过隔膜的孔到达负极嵌入石墨层屮，同时正极材料过度金属元素发生氧化反应电子通过外电路到达负极与Lf结合，此时正极处于高电位的贫锂状态，负极处于低电位的富锂状态。反之，电池放电时，Li"从负极脱出，经过电解液和隔膜回到、嵌入正极晶格中，电子通过外电路到达正极发生还原反应。以LiCoO2为正极材料，石墨C层为负极为例，锂离子工作原理如下：LgCoppercurrentcollectorLiconductingorganicelectrolyte+LinCoC^Al

5、uminumcurrentcollector图1锂离子电池工作原理示意图卩〕其反应式为：充电.+亠Li1.xCo02+xLi++xe'正极：LiCoO2勺応—充电负极：xLi卄6C+xe<一>CLix充电>电化学表达式为：LiCoO2+C—LigCoOz+CLix从锂离子电池的工作原理中我们不难分析，对正极材料的结构有几个要求：⑷（1）化学物中心金属离子具有较高的氧化还原电势，保证电池有较高的输出电压；（2）单位质量的材料能可逆的插/脱嵌尽量多的离子（比容量大）；（3）在离子插/脱嵌过程中材料的结构和体积稳定，以保证电池有良好的可逆循环性能；（4）材料具有较高的

6、电子传导率和离子传导率，以便减少电池极化、获得较好的倍率性能。此外还应具备高的热稳定性及与电解液良好的兼容性，合成方便、成本低、便于大规模生产，合成材料的原料廉价易获得、无污染的特3几种常见的锂离子电池正极材料的发展及其结构特点3.1LiCoO2正极材料1980年，Goodenough课题组首次提出用LiCoO2作为锂离子电池的正极材料，⑸1991年Sony公司率先推出以LiCoCh为正极材料的商品化锂离子电池。LiCoO2正极材料在电压稳定性、可逆性、热稳定性、充放电效率及放电容暈方面有优良的性能，并且合成工艺简单，迄今仍广泛应用于锂离子电池领域oLiCo02

7、为层状岩盐结构（a-NaFeO2结构），属于R3m群，三方晶系，其晶体结构示意图如图2,其中Li+和C°3+分别占据3a和3b位置，0?-位于6c位置。LiCoO2中锂离子在CoO2原子密实层的层间进行二维运动，具有电压高、充放电电压平稳，比能量高、循环性能好的特点。LiCoO?的理论比容量为274mAhg_1,相对Li/Li‘的电位约为4V。在实际工作中Li*从LiCoO2屮可逆脱嵌的量为0.5个单位（实际容量只能达到理论容量的50%,即140mAhg"）,这是因为LiyCoO2在x=0.5附近时发生相变，从三方品系转变成单斜晶系，并伴随晶体常数的变化。Li*

8、完全脱岀能达到理论容量，