【稀土能量转换材料】锂离子电池正极材料

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1、鉻讀殖夕劣次摩HarbinInstituteofTechnology釣薪实驗课——稀丈能量转換初能柯科课程拫告抵告题目：锂离子电池正极材料院系：材料科学与工程班级：材料科学与工程—班胜名：繆究松学号：1121900133指导教师：裴健时间：2015.05.01哈尔滨工业大学锂离子电池正极材料姓名：缪克松学号：11219001331.锂离子电池概述11裡离子电池发展概况从人类文'明开始，能源的开发和利用就与人们的生活方式及生活质量密切相关。人类长期使用以煤、石油、天然气三大主要能源为代表的化石燃料，使得地球温室效

2、应，环境污染逐步加剧。特别进入工业化社会以来，矿物燃料（煤和石油）消耗巨大，资源日益枯竭，温室效应和空气污染对人类的生存环境构成了严重的威胁。随着三大主要能源储量的日益减少，以及由此引发的全球变暖和生态环境恶化受到越来越多的关注。因此，要保持人类社会的可持续发展，能源和环境是进入21世纪必须面对的两个严峻问题，而开发清洁可再生的新能源是今后世界经济中最具决定性影响的技术领域之一。在能源开发中，充分利用自然能如风能、潮汐能、太阳能等具有重要意义，由于这些能源作用的不连续，要大规模利用这些自然能，需要有与之配套的能

3、量储存器。电池，尤其是二次电池，作为一种可以实现化学能和电能相互转化的器件，是合理有效地利用能源的重要媒介。从二次电池的发展历程来看，二次电池经历了铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池这四个阶段。锂离子电池是迄今为止最先进的二次电池。具有高能量密度、长循环寿命、低自放电以及无记忆效应和无污染等特点，充分满足了移动通信及笔记本电脑的迅猛发展对电源小型化、轻量化等的迫切要求。锂离子电池的研制成功，首先应归功于嵌锂碳材料的应用。1990年円本SONY公司率先研制成功了以非石墨化碳为负极材料，LiCoO2为正极材料

4、的锂离子电池，并于1992年实现了商品化。其结构如下所示：（-）Li（C）

5、含锂盐的有机溶质

6、嵌Li的化合物（+）自此，锂离子电池便以超过100%的年增长率迅猛发展。随着对现有材料和电池设计技术的改进以及新材料的出现，锂离子电池的应用范围不断被拓展。民用己从信息产业（移动电话、PDA,笔记本电脑等）扩展到能源交通（电动汽车、电网调峰，太阳能、风能电站蓄电），军用则涵盖了海（潜艇、水下机器人）、陆（陆军士兵系统、机器战士）、空（无人飞机、卫星、飞船）诸兵种，锂离子电池技术己不是一项单纯的产业技术，它攸关信息产业的

7、发展，更是新能源产业发展的基础技术之一，并成为现代和未来军事装备不可缺少的重要“粮食”之一。1.2.锂离子电池的原理及特性锂离子电池是以锂电池的发展为基础的，实际上是一个Li1浓差电池。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌。这就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就在摇椅两端来回运动。人们把这种电化学体系形象地称作“摇椅电池”（Rocking-chairCell）。不同于锂电池的是锂离子电池的负极使用的是嵌锂材料而不是金属锂，锂电池在充放电过程中就会出现金属锂的溶解和析出，析出的锂按照某些

8、晶面生长就会生成锂枝晶刺破隔膜带来短路的危险。充电时，Li1从正极脱嵌通过电解液嵌入负极，负极处于富锂状态，正极处于贫锂状态，同时，电子通过外电路从正极流向负极进行补偿。放电过程和上述充电过程相反。锂离子电池的工作电压与构成电极的锂离子嵌入化合物及其中的嵌锂程度有关。锂离子电池由集流体（分别用铜箔和铝箔作负极和正极集流体）、负极材料、正极材料、隔膜、电解液和电池壳组装成的。与其他二次电池如铅酸、镍镉（Ni-Cd）和镍氢（Ni-MH）电池相比，锂离子电池有以下八大优点：1）电池电压高，相当于3倍的Ni-Cd,Ni

9、-MH和铅酸电池；2）能量密度高；3）循环寿命长，深度充放电（DOD）1000次仍可以保持80%的初始容量；4）安全性能高；5）自放电率低，充放电库伦效率高•，6）无记忆效应；7）密封良好，无泄漏现象；8）环境友好。由于锂离子电池有以上优点，已经在通讯等便携式电子产品中占有主导地位，其市场占有率还在不断的提高。锂离子电池过度充放电会对正负极造成永久性的破坏。过度放电导致负极碳片层结构出现坍塌，而坍塌会造成充电过程中锂离子无法嵌入；过度充电会使过多的锂离子嵌入负极碳结构，从而造成其中的部分锂离子再也无法释放出来。

10、锂离子电池保持最佳的充放电方式为浅充浅放。因此，锂离子电池的充电过程分为两个阶段，即恒流快充阶段和恒压涓流充电阶段。2.锂离子电池正极材料2.1.正极材料的特征作为锂离子电池三大关键材料之一的正极材料是制约着锂离子电池发展的一大瓶颈，锂离子电池的性能很大程度上取决于所采用的正极材料。理想的锂嵌入化合物正极材料，应具有以下特点：1）放电反应应具有较大的负吉布斯自由能变化，从而使电池的输出