锂电池电极材料简介

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1、锂离子电池及其正负极材料简介王志杰何钦业吴佳静丁辉杨兵兵报告人：王志杰2015.4.22目录1.锂离子电池简介2.锂离子电池正极材料简介3.锂离子电池负极材料简介4.总结与展望1锂离子电池简介锂离子电池的构成：正极材料：主要是锂的化合物（比如钴酸锂，磷酸铁锂等），图中的正极（阴极）材料是锂锰氧化物。负极材料：图中负极（阳极）材料是是碳基材料。电解液：一锂盐有机溶液等。其他的部分还包括电池盖，电池壳，隔膜等。锂离子电池的工作原理：锂离子电池的特点：工作电压高比容量大循环寿命长，安全性好充放电速度快自放电率小、环境友好锂离子电池性能评价指标：容量、能量密度循

2、环性能快速充放电性能成本、环保性2锂离子电池正极材料简介正极材料需要提供大量自由脱嵌的锂离子,对于提高锂离子电池的工作电压、比能量、循环寿命等电化学性能至关重要典型的正极材料结构：一维隧道结构(如LiFePO)4二维层状结构(如LiCoO、LiVO、LiFeSiO)21+x3824三维框架结构(如LiMnO、LiV(PO)）243243正极材料中的构效关系结构功能一维隧道二维层状三维形成Li+快速有效的嵌入框架和脱出的通道过渡金属易发生价态变利于Li+嵌入和脱出，且化且晶体结构稳定保持电极结构稳定制备成纳米材料或多孔+提高Li和电子的传导性材料、包覆碳材

3、料元素掺杂取代结构中的扩展Li+脱嵌通道和稳定一些金属离子骨架结构一维结构正极材料在FeO6层之间,相邻的LiO6八面体通过b轴方向上的两个氧原子连接,形成与c轴平行的Li+的连续直线链在充放电过程中，该结构只是晶胞参数a、b减小了,c略有增加,这种变化可以保障Li+的可逆脱嵌,减小由于结构变化过大甚至结构崩塌造成的容量损失PO34-的稳定作用,不仅能防止橄榄石结构转化为尖晶石结构,还可以稳定八面体位置的氧化还原电对LiMPO4(M=Fe,Co,Ni,Mn等)一维隧道结构橄榄石型LiFe1/2Mn1/2PO4J.Mater.Chem.A,2013,1,7

4、306–7311LiFePO4的导电性较差，可以通过碳包覆得以改善，常见的有碳纳米管（CNT）和石墨烯（Graphene）包覆修饰Nat.Commun.,2014,5,3415Wangetal发现碳包覆过程会在碳和LiFePO4之间形成一种导电性更差的Fe2P2O7新相，但是如果将LiFePO4制成纳米尺寸，就不会出现这种导电性更差的新相，这是由于碳更容易在纳米尺寸的LiFePO4表面沉淀析出，迅速形成一层保护膜，EnergyEnviron.Sci.,2013,6,1521–1528防止高温下Li的流失二维结构正极材料锂原子和金属原子交替占据立方密堆积中

5、的八面体位置，通过它们的相互层叠堆积,就形成了金属原子与氧以杂化轨道或共价键结合成较密的层状结构LiCoO2结构Co略贵、充电过LiCoO2度容量衰减严重单元过渡金稳定性更差、属层状材料LiNiO2结构更无序充放电过程示意图LiMnO结构稳定性差层状结构的层与层之间2的作用力为范德华力,Li+三元过渡金属层状材料LiCoxNiyMn1-x-yO2比容量、稳定性提高可以在层间进行脱嵌Li1.2Mn0.6Ni0.2O2纳米盘的侧面为{101}面，通过使之定向排列成多级的准球形结构便能够使此具有电化学活性的面大面积暴露出来，从而结合了多级结构以及电化学活性平面

6、两种特点，使得Li+电池中的离子和电子传输更为快速Adv.Mater.2014,26,6756–6760使用含有Li与Co乙酸盐的乙醇混合溶液处理LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2电极材料的表面使得材料在极端条件下(如截止电压>4.4V，高温>50°C)的结构和热稳定性得到提高NanoLett.2015,15,2111−21190三维结构正极材料尖晶石结构NASICON三方晶系结构单斜晶系结构循环及存储后尖晶石结构LiMn2O4电容量衰减严重三维结构单斜系电化单斜晶系及三方晶系NASICON学性能优于(Li3V2(PO4)3)三方系在层状的富Li阳极

7、材料的表面包覆一层超薄的Li1+xMn2O4尖晶石层，尖晶石薄层能够维持块材在高工作电压条件下的稳定性，更重要的是这种富Li的导电层能够在电解液和层状块体之间快速地传输Li+，起到Li+泵的作用NanoLett.2014,14,3550−3555将不具有电化学活性的Ti4+掺入到尖晶石LiMn2O4表面形成一层阳离子掺杂的LiMn2-xTixO4表面层，该表面层能够稳定LiMn2O4晶体结构，同时其具有电化学活性因而能够维持材料表面离子和电荷传输孔道NatureCommunications5,56933锂离子电池负极材料简介锂离子电池负极材料主要是作为储

8、锂的主体，在充放电的过程中实现锂离子的插入和脱嵌。选择负极材料时应遵循以下几点：