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bibiaomian

金蟲(chóng) (著名寫(xiě)手)

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[交流] 【交流】鋰電池幾種正極材料的優(yōu)缺點(diǎn)

鋰離子電池的性能主要取決于所用電池內(nèi)部材料的結(jié)構(gòu)和性能。這些電池內(nèi)部材料包括負(fù)極材料、電解質(zhì)、隔膜和正極材料等。其中正、負(fù)極材料的選擇和質(zhì)量直接決定鋰離子電池的性能與價(jià)格。因此廉價(jià)、高性能的正、負(fù)極材料的研究一直是鋰離子電池行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。負(fù)極材料一般選用碳材料，目前的發(fā)展比較成熟。而正極材料的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為制約鋰離子電池性能進(jìn)一步提高、價(jià)格進(jìn)一步降低的重要因素。在目前的商業(yè)化生產(chǎn)的鋰離子電池中，正極材料的成本大約占整個(gè)電池成本的40％左右，正極材料價(jià)格的降低直接決定著鋰離子電池價(jià)格的降低。對(duì)鋰離子動(dòng)力電池尤其如此。比如一塊手機(jī)用的小型鋰離子電池大約只需要5克左右的正極材料，而驅(qū)動(dòng)一輛公共汽車(chē)用的鋰離子動(dòng)力電池可能需要高達(dá)500千克的正極材料。
衡量鋰離子電池正極材料的好壞，大致可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估：（1）正極材料應(yīng)有較高的氧化還原電位，從而使電池有較高的輸出電壓；（2）鋰離子能夠在正極材料中大量的可逆地嵌入和脫嵌，以使電池有高的容量；（3）在鋰離子嵌入/脫嵌過(guò)程中，正極材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能不發(fā)生變化或小發(fā)生變化，以保證電池良好的循環(huán)性能；（4）正極的氧化還原電位在鋰離子的嵌入/脫嵌過(guò)程中變化應(yīng)盡可能小，使電池的電壓不會(huì)發(fā)生顯著變化，以保證電池平穩(wěn)地充電和放電；（5）正極材料應(yīng)有較高的電導(dǎo)率，能使電池大電流地充電和放電；（6）正極不與電解質(zhì)等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；（7）鋰離子在電極材料中應(yīng)有較大的擴(kuò)散系數(shù)，便于電池快速充電和放電；（8）價(jià)格便宜，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。
鋰離子電池正極材料一般都是鋰的氧化物。研究得比較多的有LiCoO2，LiNiO2，LiMn2O4，LiFePO4和釩的氧化物等。導(dǎo)電聚合物正極材料也引起了人們的極大興趣。
1、LiCoO2
在目前商業(yè)化的鋰離子電池中基本上選用層狀結(jié)構(gòu)的LiCoO2作為正極材料。其理論容量為274mAh/g，實(shí)際容量為140mAh/g左右，也有報(bào)道實(shí)際容量已達(dá)155mAh/g。該正極材料的主要優(yōu)點(diǎn)為：工作電壓較高（平均工作電壓為3.7V）、充放電電壓平穩(wěn)，適合大電流充放電，比能量高、循環(huán)性能好，電導(dǎo)率高，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、容易制備等。主要缺點(diǎn)為：價(jià)格昂貴，抗過(guò)充電性較差，循環(huán)性能有待進(jìn)一步提高。
2、LiNiO2
用于鋰離子電池正極材料的LiNiO2具有與LiCoO2類(lèi)似的層狀結(jié)構(gòu)。其理論容量為274mAh/g，實(shí)際容量已達(dá)190mAh/g～210mAh/g。工作電壓范圍為2.5～4.2V。該正極材料的主要優(yōu)點(diǎn)為：自放電率低，無(wú)污染，與多種電解質(zhì)有著良好的相容性，與LiCoO2相比價(jià)格便宜等。但LiNiO2具有致命的缺點(diǎn)：LiNiO2的制備條件非常苛刻，這給LiNiO2的商業(yè)化生產(chǎn)帶來(lái)相當(dāng)大的困難；LiNiO2的熱穩(wěn)定性差，在同等條件下與LiCoO2和LiMn2O4正極材料相比，LiNiO2的熱分解溫度最低（200℃左右），且放熱量最多，這對(duì)電池帶來(lái)很大的安全隱患；LiNiO2在充放電過(guò)程中容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，使電池的循環(huán)性能變差。這些缺點(diǎn)使得LiNiO2作為鋰離子電池的正極材料還有一段相當(dāng)?shù)穆芬摺?br /> 3、LiMn2O4
用于鋰離子電池正極材料的LiMn2O4具有尖晶石結(jié)構(gòu)。其理論容量為148 mAh/g，實(shí)際容量為90～120 mAh/g。工作電壓范圍為3～4V。該正極材料的主要優(yōu)點(diǎn)為：錳資源豐富、價(jià)格便宜，安全性高，比較容易制備。缺點(diǎn)是理論容量不高；材料在電解質(zhì)中會(huì)緩慢溶解，即與電解質(zhì)的相容性不太好；在深度充放電的過(guò)程中，材料容易發(fā)生晶格崎變，造成電池容量迅速衰減，特別是在較高溫度下使用時(shí)更是如此。為了克服以上缺點(diǎn)，近年新發(fā)展起來(lái)了一種層狀結(jié)構(gòu)的三價(jià)錳氧化物L(fēng)iMnO2。該正極材料的理論容量為286 mAh/g，實(shí)際容量為已達(dá)200 mAh/g左右。工作電壓范圍為3～4.5V。雖然與尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMn2O4相比，LiMnO2在理論容量和實(shí)際容量?jī)蓚€(gè)方面都有較大幅度的提高，但仍然存在充放電過(guò)程中結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性問(wèn)題。在充放電過(guò)程中晶體結(jié)構(gòu)在層狀結(jié)構(gòu)與尖晶石結(jié)構(gòu)之間反復(fù)變化，從而引起電極體積的反復(fù)膨脹和收縮，導(dǎo)致電池循環(huán)性能變壞。而且LiMnO2也存在較高工作溫度下的溶解問(wèn)題。解決這些問(wèn)題的辦法是對(duì)LiMnO2進(jìn)行摻雜和表面修飾。目前已經(jīng)取得可喜進(jìn)展。
4、LiFePO4
該材料具有橄欖石晶體結(jié)構(gòu)，是近年來(lái)研究的熱門(mén)鋰離子電池正極材料之一。其理論容量為170 mAh/g，在沒(méi)有摻雜改性時(shí)其實(shí)際容量已高達(dá)110 mAh/g。通過(guò)對(duì)LiFePO4進(jìn)行表面修飾，其實(shí)際容量可高達(dá)165 mAh/g，已經(jīng)非常接近理論容量。工作電壓范圍為3.4V左右。與以上介紹的正極材料相比，LiFePO4具有高穩(wěn)定性、更安全可*、更環(huán)保并且價(jià)格低廉。LiFePO4的主要缺點(diǎn)是理論容量不高，室溫電導(dǎo)率低。基于以上原因，LiFePO4在大型鋰離子電池方面有非常好的應(yīng)用前景。但要在整個(gè)鋰離子電池領(lǐng)域顯示出強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，LiFePO4卻面臨以下不利因素：（1）來(lái)自LiMn2O4、LiMnO2、LiNiMO2正極材料的低成本競(jìng)爭(zhēng)；（2）在不同的應(yīng)用領(lǐng)域人們可能會(huì)優(yōu)先選擇更適合的特定電池材料；（3）LiFePO4的電池容量不高；（4）在高技術(shù)領(lǐng)域人們更關(guān)注的可能不是成本而是性能，如應(yīng)用于手機(jī)與筆記本電腦；（5）LiFePO4急需提高其在1C速度下深度放電時(shí)的導(dǎo)電能力，以此提高其比容量。（6）在安全性方面，LiCoO2代表著目前工業(yè)界的安全標(biāo)準(zhǔn)，而且LiNiO2的安全性也已經(jīng)有了大幅度的提高，只有LiFePO4表現(xiàn)出更高的安全性能，尤其是在電動(dòng)汽車(chē)等方面的應(yīng)用，才能保證其在安全方面的充分競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
盡管從理論上能夠用作鋰離子電池正極材料種類(lèi)很多，但目前在商業(yè)化生產(chǎn)的鋰離子電池中最廣泛使用的正極材料仍然是LiCoO2。層狀結(jié)構(gòu)的LiNiO2雖然比LiCoO2具有更高的比容量，但由于它的熱分解反應(yīng)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變化和安全性問(wèn)題，使得直接應(yīng)用LiNiO2作為正極材料還有相當(dāng)?shù)木嚯x。但用Co部分取代Ni獲得安全性較高的LiNi1-xCoxO2來(lái)作為正極材料可能是將來(lái)一個(gè)重要的發(fā)展方向。尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMn2O4和層狀結(jié)構(gòu)的LiMnO2由于原材料資源豐富、價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯、安全性能高而被認(rèn)為是極具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的正極候選材料之一。但其存在的充放電過(guò)程中結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性問(wèn)題將是將來(lái)的重要研究課題。具有橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4目前的實(shí)際放電容量已達(dá)理論容量的95％左右，并且具有價(jià)格便宜、安全性高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是大型鋰離子電池中極有理想的正極材料。

有高手需要補(bǔ)充的請(qǐng)?jiān)跇窍卵a(bǔ)充一下鋰電電池目前是國(guó)內(nèi)的熱門(mén)話題大家都可以學(xué)習(xí)了解一下

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