鋰離子二次電池中材料的應(yīng)用

江　雄（潮州正龍電池工業(yè)有限公司，廣東　潮州　515644）

鋰離子二次電池中材料的應(yīng)用

江雄
（潮州正龍電池工業(yè)有限公司，廣東潮州515644）

摘要：作為一種高性能的電能存儲裝置，鋰離子電池在各類移動電子設(shè)備中的應(yīng)用愈來愈廣泛。本文首先介紹了鋰離子電池工作原理，然后具體探討了鋰離子二次電池中材料的應(yīng)用，以期為相關(guān)技術(shù)與研究人員提供參考。

關(guān)鍵詞：鋰電子二次電池；材料；應(yīng)用

鋰離子二次電池通常包含隔膜、正極、負(fù)極及有機(jī)電解液等基本材料。多種新型材料的優(yōu)化組合，使得鋰電子電池逐步成為手機(jī)、手提式電腦等微型移動電子設(shè)備的主要電能存儲設(shè)備。此類新型材料的有效應(yīng)用大大改進(jìn)了鋰離子電池的性能。因此，加強有關(guān)鋰離子二次電池中材料的應(yīng)用探究，對于改善鋰離子電池材料的應(yīng)用質(zhì)量具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

一、鋰離子電池工作原理

一般鋰離子二次電池在充放電過程中進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)表達(dá)式為：

（－）Cn/LiClO4－EC＋DEC/LiMO2（＋）

正極：Li1－xMO2＋xLi＋＋xe－LiMO

2

負(fù)極：LixCnnC＋xLi＋＋xe－電池反應(yīng)：

公式中M可表示Ni、Co、V、Mn等第三周期過渡金屬元素，正極材料一各類金屬鋰氧化合物為主，負(fù)極材料則通常為石墨等碳基層狀材料。

鋰離子嵌入式金屬氧化物與層狀石墨等正負(fù)極材料的應(yīng)用，使鋰離子電池在商業(yè)應(yīng)用中得到了廣泛推廣。此種電池可看作為一類正負(fù)電極間的Li+濃差電池。在充電過程中，正極金屬氧化物材料中生成的Li+會嵌入至負(fù)極石墨片層中，這時負(fù)極具有較高的Li+濃度，而正極Li+濃度相對較低；在同一時間電子會利用外電路由正極集流體轉(zhuǎn)換至負(fù)極集流體，以確保電池體系的整體電荷平衡。在放電過程中會出現(xiàn)與充電相反的電化學(xué)反應(yīng)，負(fù)極石墨片層中生成的Li+會嵌入至正極金屬氧化物材料中，這是正極具有較高的Li+濃度，而負(fù)極Li+濃度相對較低。在正常使用條件下，充放電時正負(fù)極間的Li+會重復(fù)發(fā)生嵌入脫出反應(yīng)，但僅會造成晶胞體積的細(xì)小變化，且不會影響材料結(jié)構(gòu)，所以鋰離子二次電池具有十分優(yōu)良的循環(huán)性能。

二、鋰離子二次電池中材料的應(yīng)用

1正極材料

（1）磷酸鹽系正極材料LiMPO4

LiMPO4是一類具有較高的循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)良安全性能的鋰離子電池正極材料，其中M主要為V、Mn和Fe等元素。①磷酸釩鋰：相比磷酸亞鐵鋰，包含單斜結(jié)構(gòu)的磷酸釩鋰，其不但安全性能好，且Li+擴(kuò)散系數(shù)、能量密度及放電電壓更高。磷酸釩鋰包含單斜與斜方兩種Nasicon晶系結(jié)構(gòu)。而單斜晶系Li+嵌脫性能更高，所以其電性能要比斜方晶系更好。因磷酸釩鋰屬于三維結(jié)構(gòu)，在其空穴內(nèi)的Li+間隔相對較遠(yuǎn)，造成材料的電子導(dǎo)電率僅為10-7S?m-1，要遠(yuǎn)低于LiMn2O4和LiCoO2，所以該材料的高倍率充放電性能受到較多限制。當(dāng)前研究重點主要集中于利用改性材料來改善材料的導(dǎo)電性能，提升磷酸釩鋰的高倍率充放電能力，以滿足鋰離子電池發(fā)展的需要。如某技術(shù)單位對摻入Ti后的磷酸釩鋰進(jìn)行研究返現(xiàn)，加入適量的Ti可大幅度提升磷酸釩鋰的離子導(dǎo)電性能，且不會減小材料的能量密度。②硝酸亞鐵鋰，其屬于一種橄欖石結(jié)構(gòu)，鐵離子在Pmnb正交空間群的Z字鏈上，鋰離子則位于直線鏈上，各種鋰離子均可嵌脫至層狀結(jié)構(gòu)的FePO4上，其比容量可達(dá)到170mAh/g，與其他幾類正極材料比具有熱穩(wěn)定性高、無污染、安全、成本低、資源豐富等優(yōu)點，因此在鋰離子動力電池中應(yīng)用極為廣泛。但由于其能量密度和Li+擴(kuò)散系數(shù)較低，在一定程度上影響了該類電池的大批量生產(chǎn)應(yīng)用。

（2）鎳錳系材料

與錳系材料相比，鎳錳系材料具有更高的容量和充放電電壓，且其倍率充放電性能與高溫性能相對較好，但因其電解液匹配存在一定的限制而在很大程度上影響了其電壓容量的發(fā)揮。當(dāng)前此種材料的相關(guān)研究成果也比較顯著。如層狀結(jié)構(gòu)的LiNi0.5Mn0.5O2，此種材料屬于a-NaFeO2結(jié)構(gòu)，其在較大電壓狀態(tài)下充放電仍可保持較高的循環(huán)性和可逆容量，且比容量能達(dá)到180mAh/g。

2　負(fù)極材料

（1）磷基材料，在充放電電流密度為100Ah/g、充放電截止電壓區(qū)間為0.55V～2V條件下，ZnP2/C納米復(fù)合材料容量可保持在380mAh/g，可重復(fù)循環(huán)100次；NiP2用于全固態(tài)電池制備，容量可達(dá)到1000mAh/g，重復(fù)6圈后容量降低到800mAh/g，后階段容量基本固定在600mAh/g左右。

（2）硅基材料，此種材料的Li嵌入容量較高，可達(dá)到4200mAh/g，但材料循環(huán)性能相對受限，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍處于探索階段?？刹捎脫郊臃墙饘倥c金屬的合金化方式改善硅基材料的電化學(xué)性能。摻加非金屬方面，研究發(fā)現(xiàn)利用真空沉積方式可加工制成摻加P、B的硅基負(fù)極材料，摻入1.02%P的在循環(huán)300次后容量可固定在1400mAh/g左右，摻入0.1%B的在循環(huán)300次后容量可固定在1000mAh/g左右。在摻加金屬方面硅鋁合金薄膜材料具有良好的改良性能，其在0.5℃條件下進(jìn)行300次循環(huán)容量可保持高于80%，具備更優(yōu)越的電化學(xué)性能。

（3）氧化物負(fù)極材料，過渡金屬氧化物負(fù)極材料進(jìn)行Li+嵌脫時，可發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)，且同時存在M-O鍵的開裂。MoO2、V2O5、TiO2等過渡金屬氧化物在一定熱力學(xué)條件下，正常溫度范圍內(nèi)便能與Li發(fā)生反應(yīng)，所以過渡金屬氧化物L(fēng)i+嵌脫性能較好，材料倍率性能優(yōu)越，可提高充放電效率。

結(jié)語

高性能正負(fù)極材料的應(yīng)用質(zhì)量將直接關(guān)系著鋰離子二次電池的使用壽命及效益，因此，相關(guān)技術(shù)與研究人員應(yīng)加強有關(guān)鋰離子二次電池中材料的應(yīng)用研究，總結(jié)鋰離子二次電池材料應(yīng)用要點及關(guān)鍵材料改性措施，以逐步提升鋰電池材料應(yīng)用水平。

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中圖分類號：TG146

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：江雄（1969-），男，漢，廣東潮州人，學(xué)歷：大專，工作單位：潮州正龍電池工業(yè)有限公司，技術(shù)工程師。