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[交流]
【交流】鋰電池幾種正極材料的優(yōu)缺點(diǎn)
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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格。因此廉價、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。而正極材料的開發(fā)已經(jīng)成為制約鋰離子電池性能進(jìn)一步提高、價格進(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電池成本的40％左右，正極材料價格的降低直接決定著鋰離子電池價格的降低。對鋰離子動力電池尤其如此。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)動一輛公共汽車用的鋰離子動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方面進(jìn)行評估：（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/脫嵌過程中變化應(yīng)盡可能小，使電池的電壓不會發(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）價格便宜，對環(huán)境無污染。 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)工藝簡單、容易制備等。主要缺點(diǎn)為：價格昂貴，抗過充電性較差，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，無污染，與多種電解質(zhì)有著良好的相容性，與LiCoO2相比價格便宜等。但LiNiO2具有致命的缺點(diǎn)：LiNiO2的制備條件非�？量�，這給LiNiO2的商業(yè)化生產(chǎn)帶來相當(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，這對電池帶來很大的安全隱患；LiNiO2在充放電過程中容易發(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更是如此。為了克服以上缺點(diǎn)，近年新發(fā)展起來了一種層狀結(jié)構(gòu)的三價錳氧化物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)際容量兩個方面都有較大幅度的提高，但仍然存在充放電過程中結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性問題。在充放電過程中晶體結(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題。解決這些問題的辦法是對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)，是近年來研究的熱門鋰離子電池正極材料之一。其理論容量為170 mAh/g，在沒有摻雜改性時其實(shí)際容量已高達(dá)110 mAh/g。通過對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。但要在整個鋰離子電池領(lǐng)域顯示出強(qiáng)大的市場競爭力，LiFePO4卻面臨以下不利因素：（1）來自LiMn2O4、LiMnO2、LiNiMO2正極材料的低成本競爭；（2）在不同的應(yīng)用領(lǐng)域人們可能會優(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，尤其是在電動汽車等方面的應(yīng)用，才能保證其在安全方面的充分競爭優(yōu)勢。 盡管從理論上能夠用作鋰離子電池正極材料種類很多，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來作為正極材料可能是將來一個重要的發(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、價格優(yōu)勢明顯、安全性能高而被認(rèn)為是極具市場競爭力的正極候選材料之一。但其存在的充放電過程中結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性問題將是將來的重要研究課題。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，并且具有價格便宜、安全性高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、無環(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 請在樓下補(bǔ)充一下 鋰電電池目前是國內(nèi)的熱門話題 大家都可以學(xué)習(xí)了解一下 更改分類 [ Last edited by 華麗的飄過 on 2013-1-13 at 08:01 ] |
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6樓2012-03-28 15:05:37
avast2009
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8樓2012-04-07 20:41:13
看看，材料各有優(yōu)缺點(diǎn)，關(guān)鍵是怎么取舍了，還有待更大的發(fā)展�。�！ 9樓2012-05-04 17:15:31
10樓2012-05-17 21:37:45
12樓2012-08-14 21:09:45
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現(xiàn)在LiMnPO4,LiNiPO4,這些材料都在研究�，F(xiàn)在LiFePO4的研究中，摻雜Ni的比較多，Ni可以提高電池的容量。 現(xiàn)在世界上做LiFePO4很惱火，就是C包覆專利的原因。現(xiàn)在一般認(rèn)為是，美國和中國主要做LiFePO4，韓國和日本組要做錳系材料�，F(xiàn)在中國還有世界一些其他的國家，都集中精力在摻雜，增加比表面積，LiFePO4的低溫性能上，希望能有大的進(jìn)展，打破是C包覆專利。 最近鋰硫電池和鋰空電池研究進(jìn)展迅速，這個可以關(guān)注下，但是估計實(shí)現(xiàn)起來還是要等很長時間。 |
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LiCoO2 ［9］ 理論容量274 mAh /g， 實(shí)際容量140 mAh /g 左右， 工作電壓范圍為2． 5-4． 2 V 工作電壓較高，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)工藝簡單 鈷有毒、污染環(huán)境、資源短缺 且價格昂貴，電極材料 抗過充電性較差，循環(huán)性 能有待進(jìn)一步提高 LiNiO2 ［10］ 理論容量為274 mAh /g， 實(shí)際容量可達(dá)190-210mAh / g， 工作電壓范圍為2． 5-4． 2 V 自放電率低，無污染， 與多種電解質(zhì)有著良好的相容性， 與LiCoO2 相比價格便宜等 制備條件苛刻，熱穩(wěn)定性差， 充放電過程中容易發(fā)生 結(jié)構(gòu)變化，使電池的 循環(huán)性能變差，容量衰減快 LiMn2O4 ［11］ 理論容量148 mAh /g， 實(shí)際容量110-120 mAh /g， 工作電壓3-4 V Mn 資源豐富，成本低， 污染小，安全性高，無毒， 抗過充性能好，制備較容易 理論容量不高; 在深度充放電 的過程中，材料容易發(fā)生晶格 畸變，造成電池容量迅速衰減， 特別是在較高溫度下 使用時衰減加劇 Li3V2 ( PO4 ) 3 ［12， 13］ 理論容量197 mAh /g， 工作電壓3． 0-4． 8 V 原料豐富，生產(chǎn)成本低， 環(huán)境友好，循環(huán)性能好， 倍率性能好，熱穩(wěn)定性好 電導(dǎo)率較低，高倍率充 放電時比容量過低; LiFePO4 ［14］ 理論容量170 mAh /g， 實(shí)際容量可達(dá)110 mAh /g( 無摻 雜時) ，1 65 mAh /g( 摻雜修飾后) ， 工作電壓3． 4 V 左右 LiFePO4 具有高穩(wěn)定性、 更安全可靠、更環(huán)保并且價格 低廉，高能量，長壽命，無記憶 電子和離子傳導(dǎo)率低， 振實(shí)密度小，合成過程中Fe2 + 極易被氧化成Fe3 + ， 同時需要較純的惰性氣氛 保護(hù)，循環(huán)性能差， 高倍率充放電性能差 |
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19樓2013-10-13 19:55:37
20樓2013-11-05 20:48:00
21樓2013-11-15 11:52:48
22樓2013-11-15 11:55:03
25樓2015-04-06 22:51:56
26樓2015-04-07 09:08:11
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小木蟲: 金幣+0.5, 給個紅包，謝謝回帖
小木蟲: 金幣+0.5, 給個紅包，謝謝回帖
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可以參考這篇文獻(xiàn)：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl5048913 過渡金屬氧化物類的正極材料，也存在較大的體積膨脹，雖然比不上負(fù)極多，也可能影響正極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。而這其中，Jahn-Teller效應(yīng)引起的八面體扭曲貢獻(xiàn)了絕大多數(shù)的體積膨脹。 |
27樓2015-04-17 04:22:12
28樓2015-05-11 19:35:22
簡單回復(fù)
missssdo7樓
2012-04-05 12:21
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nofrunolif15樓
2013-01-12 00:39
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錦程23樓
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