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[交流]
【交流】鋰電池幾種正極材料的優(yōu)缺點
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鋰離子電池的性能主要取決于所用電池內部材料的結構和性能。這些電池內部材料包括負極材料、電解質、隔膜和正極材料等。其中正、負極材料的選擇和質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、負極材料的研究一直是鋰離子電池行業(yè)發(fā)展的重點。負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)已經成為制約鋰離子電池性能進一步提高、價格進一步降低的重要因素。在目前的商業(yè)化生產的鋰離子電池中，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，而驅動一輛公共汽車用的鋰離子動力電池可能需要高達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行評估：（1）正極材料應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，正極材料的結構應盡可能不發(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）正極材料應有較高的電導率，能使電池大電流地充電和放電；（6）正極不與電解質等發(fā)生化學反應；（7）鋰離子在電極材料中應有較大的擴散系數，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構的LiCoO2作為正極材料。其理論容量為274mAh/g，實際容量為140mAh/g左右，也有報道實際容量已達155mAh/g。該正極材料的主要優(yōu)點為：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，電導率高，生產工藝簡單、容易制備等。主要缺點為：價格昂貴，抗過充電性較差，循環(huán)性能有待進一步提高。 2、LiNiO2 用于鋰離子電池正極材料的LiNiO2具有與LiCoO2類似的層狀結構。其理論容量為274mAh/g，實際容量已達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)點為：自放電率低，無污染，與多種電解質有著良好的相容性，與LiCoO2相比價格便宜等。但LiNiO2具有致命的缺點：LiNiO2的制備條件非常苛刻，這給LiNiO2的商業(yè)化生產帶來相當大的困難；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)生結構變化，使電池的循環(huán)性能變差。這些缺點使得LiNiO2作為鋰離子電池的正極材料還有一段相當的路要走。 3、LiMn2O4 用于鋰離子電池正極材料的LiMn2O4具有尖晶石結構。其理論容量為148 mAh/g，實際容量為90～120 mAh/g。工作電壓范圍為3～4V。該正極材料的主要優(yōu)點為：錳資源豐富、價格便宜，安全性高，比較容易制備。缺點是理論容量不高；材料在電解質中會緩慢溶解，即與電解質的相容性不太好；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，近年新發(fā)展起來了一種層狀結構的三價錳氧化物LiMnO2。該正極材料的理論容量為286 mAh/g，實際容量為已達200 mAh/g左右。工作電壓范圍為3～4.5V。雖然與尖晶石結構的LiMn2O4相比，LiMnO2在理論容量和實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構不穩(wěn)定性問題。在充放電過程中晶體結構在層狀結構與尖晶石結構之間反復變化，從而引起電極體積的反復膨脹和收縮，導致電池循環(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進行摻雜和表面修飾。目前已經取得可喜進展。 4、LiFePO4 該材料具有橄欖石晶體結構，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際容量已高達110 mAh/g。通過對LiFePO4進行表面修飾，其實際容量可高達165 mAh/g，已經非常接近理論容量。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的主要缺點是理論容量不高，室溫電導率低。基于以上原因，LiFePO4在大型鋰離子電池方面有非常好的應用前景。但要在整個鋰離子電池領域顯示出強大的市場競爭力，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）在不同的應用領域人們可能會優(yōu)先選擇更適合的特定電池材料；（3）LiFePO4的電池容量不高；（4）在高技術領域人們更關注的可能不是成本而是性能，如應用于手機與筆記本電腦；（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)界的安全標準，而且LiNiO2的安全性也已經有了大幅度的提高，只有LiFePO4表現出更高的安全性能，尤其是在電動汽車等方面的應用，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)化生產的鋰離子電池中最廣泛使用的正極材料仍然是LiCoO2。層狀結構的LiNiO2雖然比LiCoO2具有更高的比容量，但由于它的熱分解反應導致的結構變化和安全性問題，使得直接應用LiNiO2作為正極材料還有相當的距離。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。尖晶石結構的LiMn2O4和層狀結構的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構不穩(wěn)定性問題將是將來的重要研究課題。具有橄欖石結構的LiFePO4目前的實際放電容量已達理論容量的95％左右，并且具有價格便宜、安全性高、結構穩(wěn)定、無環(huán)境污染等優(yōu)點，被認為是大型鋰離子電池中極有理想的正極材料。 有高手需要補充的 請在樓下補充一下 鋰電電池目前是國內的熱門話題 大家都可以學習了解一下 更改分類 [ Last edited by 華麗的飄過 on 2013-1-13 at 08:01 ] |
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看看，材料各有優(yōu)缺點，關鍵是怎么取舍了，還有待更大的發(fā)展�。�！ 9樓2012-05-04 17:15:31
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