锂离子电池正极材料的合成及性能研究

《锂离子电池正极材料的合成及性能研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、河北工业大学{i；jL学位论文年代相继问世，1999年12月厦门宝龙工业有限公司、2000年7月J、东惠州TCL金能电池有限公闭先后投产。[Zl虽然锂离子电池已经商业化并得到广泛应用，但该领域仍是今后研究的热点，目的是降低成本．提高容量和延长循环寿命。今后的发展方向为：(1)用低电压嵌锂负极化合物取代碳材料来提高电池的安全特性；(2)用N{或Mn取代目前正极材料中的Co，降低成本减小co对环境造成的污染：(3)用塑料膜取代目前实用的液体电解质，让其兼顾正负极间隔膜和电解质的双重作_I{{。目的是改进电池的可殴计

2、性。这些发展方向都与所用材料的发展密切相关。§1．3锂离子电池正极材料研究进展锂离子二次电池所用材料有数十种，如正负极活性物质、电解质溶剂、电解质盐、【乜解质添加剂．聚合物隔膜、正负极导电添加剂、正负极集流片、正负极极耳、PTC开关、绝缘垫片等吐这些材料对电池性能都有不同程度的影响，但影响最大的还是lE极材料．负极材荆和电解质材料。这三类材料是镪离子屯池研究的重点，改善lE极材料性能是提高锂离，电池性能的天键，因为止极材料的比容量每提高50％，电池的功率密度会提高28％，而负极材料的比容箭每提高50％。电池的功

3、率密度相应的只会提高13％f81。因此，研究锂离子二次电池止极利料，对于发展和改进锂离子一次电池，具．}

4、=『重婴的现实崽义。I-3．1正极材料的性能锂离子电池正极材料不仅作为电极材料参与电化学反应，而且可作为锂离子源。当电池充电时，锂离子从正极脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。相对于碳负极和电解质研究的进展，正极材料的研究成为制约锂离子电池整体性能进一步提高及成本继续r降的关键因素。其中的原因就在于尽管理论上能够脱嵌锂的物质有很多，但要将其制备成能实际应用和符合电池要求的材料却并非易事，因为制各过程的微小变化都

5、将导致材料结构乃至性质的巨火差异‘“。锂离子电池的正极材料必须有能接纳锂离子的位置和扩散的路径。一般而言，二次锂离子电池止极材料符合以下要求：(1)相对锂具有较高的嵌锂正电位，由=r负极的碳质材料对丁金属锂具有一定的嵌锂止电位，因此作为正极材料必须相对金属锂具有较高的嵌锂正电位，才能保持二次锂电池高开路电乐的特点。(2)正极材料组成不随电位变化，离子电导率和电子电导率高，有利于降低电池内阻。(3)在所要求的充放电电何范围内，与有机电解质和粘结剂接触性能好．热稳定性好．有利下延长电池寿命和提高安全性能。(4)锂离

6、子嵌入．脱嵌可逆性好，伴随反应的体积变化小，锂离子扩散速度快，以便获得良好的循环特性还大电流特性。5锂离子电池正撇材料的合成及件能研艽(5)必须为富锂化合物，由于在二次锂离子电池中由正极提供在正负极嵌入化台物问往复嵌入、脱出所需的锂，所以起到了锂源的作用的正极材料必须为富锂物质。目前能够满足上述要求的正极材料的研究主要集中在三种富锂的金属氧化物：锂钴氧化物、锂镍氧化物和锂锰氧化物。另外还有LiMnPO。㈣、LiFeP04⋯’等其它氧化物作为锂离子电池正极材料。其相天性能的比较如表1-2所示n表1．2锂离子电池主

7、要正极材料性能比较Tablel．2Propertiesofvariouscathodeforlithium-ionbattery锂钴氧化物已经商品化生产．但是其制备工艺有待进一步改进和完善。锂镍氧化物和锂锰氧化物正处于研究开发阶段，有希望取代LiC002而成为商业锂离子电池的止极材料。由表I．2可以看出锂锰氧化物的优势：资源丰富、无污染、安全、成本低等，其不足之处为存在容量的衰减。正极材料容量赢接影响电池容量，因此选择相对高容量的正极材料大有必要。根据Faraday电解定律，电极反应：22．-Mn铙+“十+e_

8、乙．Mn2‰可知LiMn204尖晶石正极材料的理论容量(c日＆)为Faraday常数(F)与LiMn204尖晶石摩尔质量(M)的比值。即：C§庐I·t／m=F,qvl．其中I代表电流，单位安培(A)；t代表时间，单位秒(s)；m代表质量，单位克Q)。因为Faraday常数(F)为96485库仑／mol。LiMn204尖晶石的摩尔质量(M)为1819／mol，所以：Cl*=F／M=96485C·mol一，(1SIg·tool’1)2533．1C／g2533．IAls／g2533．1+1000mA‘lh／3600／

9、g=148．]mAh／g按同样的方法可算山LiC002和LiNi02的理论容量分别为273．8mAh／g和274．6mAh／g，Li4MnsOt26河北工业大学硕士学位论文和Li2Mn409的理论容量为163mAh／g和213mAh／g。1-3．2锂钴氧化物LiC002具有类似a-NaFe02型的结构，空间群为鼬m，其中过渡金属离子和锂离子分别li据氧的立方密堆积中八面体空隙的3(a)