锂离子电池正极材料.ppt

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1、锂离子电池正极材料简介姓名：学号：背景意义伴随着经济全球化进程和化石燃料的大量使用，环境污染和能源短缺的问题日渐突出。为了减少化石燃料使用过程的污染，发展风、光、电可持续再生能源及新型动力电池和高效储能系统，实现可再生能源的合理配置及电力调节，对于提高资源利用效率、解决能源危机和保护环境都具有重要战略意义。锂离子电池是目前综合性能最好的电池体系，具有高比能量、高循环寿命、体积小、质量轻、无记忆效应、无污染等特点，并迅速发展成为新一代储能电源，用于信息技术、电动车和混合动力车、航空航天等领域的动力支持。锂离子电池的核心和关键是新型储锂材料和电

2、解质材料的开发与应用。锂离子电池发展历史1970年，埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。1989年MoLi公司开始大规模生产Li/Mo电池，但由于金属锂在电池充放电过程中会以锂枝晶形式沉积在金属表面，随着锂枝晶在充放电过程中的不断生长，有可能会刺破隔膜，导致电池内部短路，引发热失效、爆炸等情况，锂二次电池的发展受到很大的挫折。1980年，M.Armand等提出利用插锂化合物来代替金属锂二次电池中的锂负极，并提出“摇椅式电池”的概念。1982年伊利诺伊理工大学的R.R.Agarwa

3、l和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料，具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高，且氧化性远低于钴酸锂，即使出现短路、过充电，也能够避免了燃烧、爆炸的危险。1987年，Auburn等提出了Mo/LiP-PC/LiCo类锂离子电池的设计，大大提高了电池的安全性。1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构

4、的磷酸盐，如磷酸锂铁(LiFeP)，比传统的正极材料更具优越性。锂离子电池基本原理及特点锂离子电池是指以两种不同的能够可逆插入和脱出锂离子的化合物作为电池的正极和负极的二次电池体系。其基本原理如右图所示：目前已商品化的锂离子电池，正极主要采用材料，负极为层状石墨，电解液采用1M的EC+DMC溶液。充电过程，从层状中脱出，经过电解液嵌入到石墨层间；放电过程，由石墨层间脱出，经过电解液回到晶体的锂层中。其充放电化学反应式为：锂离子电池的主要特点表现为：①比能量高，锂离子电池的质量比能量和体积比能量分别达到120~200W·h/Kg和300W·h

5、以上；②放电电压高，放电电压平台一般在3.2-4.2V以上；③自放电低，在正常存放情况下，锂离子电池的月自放电率通常仅为5％左右；④循环寿命长，无记忆效应，普通锂二次电池在100％的放电深度下，充放电可达500次以上；⑤充放电效率高，电池循环充放电过程中的能量转换效率可达到90％以上；⑥工作温度范围宽，一般工作范围为-20-45℃，钛酸锂负极电池甚至可在-40℃下工作。锂离子电池正极材料正极材料是锂离子电池的核心，历来是科学家们研究的重点。近几年来，负极材料和电解质的研究都取得了较大的进展，相对而言，正极材料的发展较为缓慢，商品化锂离子电池

6、中正极材料的比容量远远小于负极材料，成为制约锂离子电池整体性能进一步提高的重要因素。因此，正极材料的研究受到越来越多的重视。作为理想的锂离子电池正极材料，锂离子嵌入化合物必须满足以下要求：（1）具有较高的氧化还原电位，保证锂离子电池的高电压特性；（2）允许大量的锂离子嵌入脱出，保证锂离子电池的高容量特性；（3）嵌入脱出过程的可逆性好，充放电过程中材料结构变化较小；（4）锂离子能够快速的嵌入和脱出，具有高的电子导电率和离子导电率；（5）在电解液中化学稳定性好；（6）低廉，容易制备，对环境友好等。目前，能满足以上要求的材料根据其结构特点主要分为

7、三大类，第一类是具有六方层状结构锂金属氧化物LiM（M=Co、Ni、Mn），其代表材料主要为钴酸锂和三元镍钴锰(NCM)酸锂、镍钴铝(NCA)酸锂材料第二类是具有Fdm空间群的尖晶石结构材料，其主要代表材料主要有4V级的Li。第三类是具有聚阴离子结构的化合物，其代表材料主要有橄榄石结构的磷酸亚铁锂LiFeP。具有α-NaFeO2型结构的材料LiMO2氧化物正极材料的基本结构是：以氧原子密堆积与处于八面体空隙位置的过渡金属离子形成稳定的MO2层或框架，嵌入的锂离子进入MO2层间，处于八面体空隙。如果以111面为平面，Li+和（M=Ni，Co，

8、Mn）交替排列在氧的两侧，属R3m空间群。简化模型MO2层锂离子LiCoO2正极材料LiCoO2最早是由Goodenough等人在1980年提出可以用于锂离子电池的正极材料，之