锂电池的原理与应用材料科学概论论文

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1、锂电池的原理与应用摘要: 锂离子电池已广泛应用于移动电话、笔记本电脑等便携式电器中，深受广大用户的钟爱；在未来的电动汽车也有着非常好的应用前景，必将对未来人们的生活产生深刻的影响。锂离子电池的电容量及循环性能不断得到提高，容量更大、质量更轻、体积更小、厚度更薄、价格更低的锂离子电池不断地推向市场。新的电极材料及电解质材料不断开发出来，它们具有容量大、价格低、无环境污染、使用安全等优点。本文分别对锂离子电池的正极材料、负极材料、电解质材料的发展历史及最新发展状况进行综述及评论。关键词：锂离子电池，正极材料

2、，负极材料，电解质材料正文：信息技术的发展，特别是移动通讯及笔记本计算机等的迅速发展，迫切要求电池的小型化、轻型化、长服务时间、长工作寿命和免维护；环境保护呼声越来越高，首先要求本身无毒和无污染；全世界天然能源还在不断消耗，终将耗竭，需要寻求新能源。因此作为新型绿色环保电池的锂离子电池将在发展电子信息、新能源以及环境保护等面向21世纪的重大技术领域中具有举足轻重的地位和作用。一、锂离子电池1.1锂离子电池的构造及作用机理锂离子电池的主要构造部分有阴极（正极）、阳极（负极）、能传导锂离子的电解质以及把阴阳

3、极隔开的隔离膜。在充电时阴极材料中的锂离子开始脱离阴极并透过隔膜向阳极方向迁移，在阳极上捕获一个电子被还原为Li并存贮在具有层状结构的石墨中。放电时在阳极中锂会失去一个电子而成为锂离子Li+并穿过隔膜向阴极方向迁移并贮存在阴极材料中。由于在充放电时锂离子是在阴阳极之间来回迁移，所以锂离子电池通常又称摇椅电池。[1]锂离子电池的充电原理（石墨为负极，LiCoO2为正极为例）简示如以下方程： 正极上发生的反应为:LiCoO2=充电=Li1-xCoO2+xLi+xe-+ （1-1） 负极上发生的反应为:6C+

4、xLi+xe-=充电=LixC6（1-2）电池总反应: LiCoO2+6C==LI1-xCoO2+LixC6+（1-3）1.2锂离子电池的工作状态和效率锂离子电池能量密度大，平均输出电压高。自放电小，没有记忆效应。工作温度范围宽为-20℃～60℃。循环性能优越、可快速充放电、充电效率高达100%，而且输出功率大。使用寿命长。不含有毒有害物质，被形象的称为“绿色电池”。二、正极材料锂离子电池正极材料一般为锂嵌入化合物，常见的有氧化钴锂、氧化镍锂、LiFePO4以及其他正极材料。[2]2.1 氧化钴锂正极材

5、料    常用的氧化钴锂为层状结构，结构比较稳定。在理想层状LiCoO2结构中。Li+和Co3+各自位于立方紧密堆积氧层中交替的八面体位置，a=0.2816nm,c=1.4056nm,c/a一般为4.899。但是实际上由于Li+和Co3+与氧原子的作用力不一样，氧原子的分布并不是理想的密堆结构，而是有所偏离，呈现三方对称性。在充放电过程中，锂离子可以从所在平面发生可导率高，扩散系数为10-7—10-9cm2/s。另外共棱的CoO6的八面体分布使Co与Co之间以Co-O-Co形式发生相互作用。2.2氧化镍

6、锂正极材料 氧化镍锂和氧化钴锂一样，为层状结构。尽管LiNiO2比LiCoO2便宜，但是氧化镍锂在一般情况下，其中的镍较难氧化为+4价，易生成缺锂的氧化镍锂；另外热处理温度不能过高，否则生成的氧化镍锂会发生分解，因此实际上很难批量制备理想的LiNiO2层状结构。LiNiO2理论容量与当前商业化电池广泛用的电极材料LiCoO2接近，实际容量已达190-210mAh/g,远高于LiCoO2（可逆容量为140-160mAh/g）。并且其自放电率低，对环境无污染，更有价格和资源上的优势，因而获得广泛深入的研究。

7、但其实用化进程一直较缓慢，主要是存在以下缺点：难合成计量比产物，循环容量衰退较快，热稳定性较差，LiNiO2的热稳定性差是阻碍其实际应用的最重要因素之一。2.3  LiFePO4正极材料     具备橄榄石晶体结构的LiFePO4是近期研究的重点替代材料之一，与同类电极材料相比，LiFePO4具备更安全，更环保且更廉价的多种优势。它在充电状态的稳定性超过了层状的过渡金属氧化物。然而，目前普遍关注的问题是LiFePO4的低电导率及由此而生的可逆容量的瓶颈。LiFePO4橄榄石结构中由于FeO6共角，无法形

8、成象共边结构的那种连续FeO6网络结构，因而影响了锂离子的网络间流动。  三、负极材料随着锂离子电池研究的发展，其负极材料的选择主要集中在碳材料、硅基材料、新型合金以及其他材料。[3]3.1 碳负极材料 碳材料是目前商品化锂离子电池所使用的负极材料。由于其电极点位低，循环效率高，循环寿命长和安全性能好等优点，确保了在其商业电池应用中成为第一选择对象。用于锂离子电池的碳负极材料包括石墨，无定形碳，其中石墨又分为天然石墨，人造石墨和石墨化碳；无