鋰離子電池富鋰錳基正極材料的研究分析

王 帥

(建德市環(huán)境監(jiān)測站，浙江 建德 311600)

鋰離子電池富鋰錳基正極材料的研究分析

王 帥

(建德市環(huán)境監(jiān)測站，浙江 建德 311600)

隨著信息技術(shù)水平的不斷發(fā)展，新的能源隨之不斷的涌入市場，并對鋰離子電池的功率、壽命等提出了更高要求，而富鋰錳基正極材料具有容量高、具有安全性的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)他的成本也比較低，能夠促進(jìn)電動汽車的規(guī)模推廣。對鋰離子電池有關(guān)的錳礦及冶金輔料的地質(zhì)等相關(guān)的富鋰錳基正極材料進(jìn)行研究分析，并提出有效的方法。

鋰離子電池；富鋰錳基正極材料；研究分析

傳統(tǒng)的能源發(fā)展中，鋰離子電池作為可充電的主要能源裝置，在過去的能源發(fā)展中有著重要的作用。鋰離子電池本身就具有比較好的穩(wěn)定性與較高的充放電的功能，在能源的發(fā)展中受到企業(yè)的廣泛的重視與推廣。隨著經(jīng)濟(jì)水平技術(shù)的不斷發(fā)展，鋰離子電池富鋰錳基正極材料在新能源的發(fā)展中起到重要的影響作用。

1 鋰離子電池

鋰離子的主要定義是充電的電池，主要有正極與負(fù)極之間的相互關(guān)系進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)工作[1]。鋰離子電池在充電的時(shí)候，Li+從正極的方向進(jìn)行脫嵌，然后經(jīng)過電解質(zhì)在負(fù)極的位置嵌入，并在負(fù)極上處于富鋰的狀態(tài)。鋰離子電池在目前的新能源發(fā)展中具有相當(dāng)重要的代表性。鋰離子電池主要用在人們?nèi)粘Ｉ钪械碾娮赢a(chǎn)品當(dāng)中。鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、隔膜、電池外殼、有機(jī)電解液組合而成。在電子的產(chǎn)品中鋰離子的電池有聚合物鋰離子電池和液態(tài)的鋰離子電池之分，在現(xiàn)在的數(shù)碼產(chǎn)品中受到廣泛的應(yīng)用鋰離子電池在充電的方面要求較高，其主要是能夠保障和終止電壓的精確度數(shù)為±1%之內(nèi)，在各個(gè)半導(dǎo)體的器件廠中已經(jīng)開發(fā)出多種多樣的鋰離子電池的充電IC，用于保障充電的可靠性、安全性，從而快速的進(jìn)行充電。

鋰離子電池的工作原理是在鋰離子元素中含有鋰的化合物作為電池的正極，其碳素的材料作為電池的負(fù)極，在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中只有鋰離子的存在沒有金屬鋰的存在，在運(yùn)行的工作中，鋰離子電池要注意在放電的過程中電流不能夠過大如果過大就有可能會導(dǎo)致鋰離子電池在運(yùn)作的過程中內(nèi)部出現(xiàn)發(fā)熱的現(xiàn)象，從而造成電池運(yùn)作的損壞。同時(shí)不能夠過度的放電，這樣也會發(fā)生不可逆的反應(yīng)而導(dǎo)致電池的損壞及報(bào)廢，因此在鋰離子電池的使用過程中要注重相關(guān)的事項(xiàng)與操作。

2 富鋰錳基正極材料的功能特性

富鋰錳基正極材料主要用xLi[Li1/3Mn2/3]O2·(1-x)LiMnO2來表示[2]，在經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中，富鋰錳基正極材料在鋰離子電池的運(yùn)行工作中具有比較高的并且能夠逆轉(zhuǎn)的比容量，能夠有效的進(jìn)行循環(huán)的功能，在市場中其成本也相對的比較低，因而使其在電子的產(chǎn)品業(yè)的發(fā)展中得到廣泛的應(yīng)用及重視。在鋰離子電池中富鋰錳基正極材料主要是由Li2MnO3與LiMnO2兩種材料組成的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

在富鋰錳基正極的材料中，錳礦的存在能降低成本和改善材料的穩(wěn)定性及安全性，但是如果在產(chǎn)品中錳礦的含量過高就會降低材料中的容量，從而產(chǎn)生破壞富鋰錳基中的正極的材料。其次是富鋰錳基正極材料在鋰離子電池的充電與放電的循環(huán)穩(wěn)定性與相對的充放電容量都比較高，但仍然存在著不足的問題，使其在解決鋰離子電池的充電安全問題的時(shí)候并不理想，同時(shí)在循環(huán)過程的性能中也不是很理想，過高的充電電壓引起了電解液的分解，富鋰錳基正極材料在第1次的放電過程中其放電的庫倫效率比較低，而導(dǎo)致在放電的過程中電解液發(fā)生了分解的現(xiàn)象，同時(shí)在富鋰錳基正極的材料中，錳礦的存在能降低成本和改善材料的結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定性及安全性，但是如果在產(chǎn)品中錳礦的含量過高就會降低材料中的容量，從而產(chǎn)生破壞富鋰錳基中的正極材料，而導(dǎo)致富鋰錳基正極材料的功能發(fā)展受阻。為了能夠解決富鋰錳基正極材料中存在的問題，增加電子產(chǎn)品當(dāng)中的基本實(shí)用性能，相關(guān)的電子企業(yè)首先要提出有效的方法來解決這一問題，從而進(jìn)行相應(yīng)的改性工作，提高在鋰離子電池中富鋰錳基正極的材料。

圖1 富鋰錳基正極材料結(jié)構(gòu)

3 鋰離子電池富鋰錳基正極材料的研究方法

3.1 調(diào)整鋰離子電池富鋰錳基正極材料的結(jié)構(gòu)

在鋰離子電池中影響富鋰錳基正極材料的是過高的截止電壓而導(dǎo)致的現(xiàn)象。因此相關(guān)的工作人員在實(shí)際工作的過程中[3]，首先應(yīng)該明確好相應(yīng)的工作，并確定好相對應(yīng)元素在電解液中的溶解程度，確保在電解之后其電解的容量保持在86%，在鋰離子電池富鋰錳基正極材料中，其主要的運(yùn)行結(jié)構(gòu)是在富鋰錳基正極材料的表面上生成一種叫做LiPO4的成分，在運(yùn)行工作中有一部分的鋰進(jìn)入了此成分當(dāng)中，在進(jìn)行第一次的充電的時(shí)候，其成分中原先存在的氧空產(chǎn)生了反應(yīng)從而消失了，從而才導(dǎo)致了富鋰錳基正極材料保持著容量的增高的現(xiàn)象。因此，相關(guān)的管理人員在進(jìn)行鋰離子電池富鋰錳基正極材料的研究的過程中，首先要了解富鋰錳基正極材料的相關(guān)專業(yè)知識，根據(jù)鋰離子電池的基本情況進(jìn)行富鋰錳基正極材料的分析，然后采取有效的措施進(jìn)行有效的研究和分析，達(dá)到有一定目的性的研究成果。在研究的過程可以采用石墨烯方法進(jìn)行對鋰表面的包裹，在表面的包裹中研究鋰表面的電極，然后分析石墨烯在鋰的作用下產(chǎn)生的有關(guān)電極的材料的狀況進(jìn)行研究分析，并研究其主要導(dǎo)致在充電和放電的過程中鋰離子電池富鋰錳基正極材料的結(jié)構(gòu)受到破壞的原因，最后結(jié)合相應(yīng)的原因進(jìn)行富鋰錳基正極材料整體分布的結(jié)構(gòu)的調(diào)整，從而提高在鋰離子電池富鋰錳基正極材料的穩(wěn)定性，并保證其正極材料在第一次的充電中能夠保持在2.0～4.8 V之間，倍率保持在0.1 C下，在第一次的充電中充電的比熱容為321 mA·h/g,在放電過程中比熱容的相關(guān)的放電量為242 mA·h/g,通過整體結(jié)構(gòu)的調(diào)整，進(jìn)行正確的方法進(jìn)行操作，從而提高富鋰錳基正極材料的研究，提高研究的質(zhì)量。

3.2 表面包覆研究

在鋰離子的富鋰錳基正極材料的表面中，電解液與正極材料兩者之間的接觸也會產(chǎn)生放電與充電等現(xiàn)象的發(fā)生，從而造成在富鋰錳基正極材料中相關(guān)的循環(huán)性能與電極的穩(wěn)定性下降。因此在對鋰離子電池富鋰錳基正極材料的研究分析中，相關(guān)的工作人員首先要進(jìn)行富鋰錳基正極材料表面包覆的研究分析，然后采用正確的方法進(jìn)行表面包覆的處理，有效的防范和避免鋰離子電池富鋰錳基正極材料中的電解液與富鋰錳基的正極材料進(jìn)行證明的接觸[4]，從而有效的促進(jìn)富鋰錳基正極材料中電極的穩(wěn)定性與循環(huán)性作用的提高。在研究中，可以對鋰離子電池中的富鋰錳基正極材料中表面的包裹，進(jìn)行恰當(dāng)有效的修飾一下，確保在放電過程中其相應(yīng)的放電容量，并保障包裹前與包裹后的充電容量的分析，從而有效的抑制氧氣在循環(huán)性能與電極的穩(wěn)定性中發(fā)生氧化。采用石墨烯與富鋰錳基中正極材料的研究現(xiàn)象的觀察進(jìn)行分析，其石墨電子的傳導(dǎo)性中具有著較好的特性，同時(shí)能夠在與富鋰錳基正極的材料進(jìn)行結(jié)合的時(shí)候能夠有效的提高在富鋰錳基正極中的材料的電導(dǎo)率。并在富鋰錳基正[5]極材料的表面上運(yùn)用酸來進(jìn)行表面包裹的處理，使其在分解的過程中能夠有效的降低在第1次的充電與放電的過程中，降低循環(huán)性能與庫倫率等方面的損失，從而利用弱酸的處理方法能夠有效的處理和調(diào)節(jié)pH的值，并提高循環(huán)的性能，減弱在放電與充電過程中的損害。

3.3 掌握鋰離子電池錳基正極材料的制備方法

在研究鋰離子電池富鋰錳基正極材料中，其制備的方法有：溶膠凝膠法、燃燒法、共沉淀法、冷凍干燥法4個(gè)方法進(jìn)行制備。在溶膠凝膠法中運(yùn)用相關(guān)的鋰化學(xué)成分有硝酸錳等化學(xué)進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行放電與充電的調(diào)試，以確保其在充電與放電的過程中，能夠保持一定的電容量，保障相關(guān)的電化學(xué)的性能；并采用燃燒的方法進(jìn)行富鋰錳基[6]正極材料的制備，采用硝酸鋰等化學(xué)式進(jìn)行溶解，從而保持在富鋰錳基正極的原材料與水離子之間的質(zhì)量保持一定的恒溫水溶的加熱，從而達(dá)到良好的倍率性與放電的比容量之間的性能；然后運(yùn)用共沉淀法進(jìn)行沉淀劑的制備富鋰錳基正極材料，進(jìn)行pH的值的控制，通過沉淀的過程中保持循環(huán)過后的容量率，提高制備正極材料的效果[7]，最后運(yùn)用冷凍干燥的方法去除在富鋰錳基正極材料中存在的有機(jī)物質(zhì)，運(yùn)用相關(guān)的鋰基化學(xué)式進(jìn)行富鋰錳基正極材料的制備，提高對鋰離子電池富鋰錳基正極材料的研究。

4 結(jié) 語

隨著現(xiàn)代的經(jīng)濟(jì)水平不斷的發(fā)展，鋰離子電池富鋰錳基正極材料也將隨著快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)，不斷的得到良好的應(yīng)用，并在鋰離子的正極材料的發(fā)展中得到良好的指導(dǎo)發(fā)展。

[1] 張志強(qiáng), 征圣全, 王起亮, 等. Cr摻雜對富鋰錳基正極材料Li1.2Ni0.2Mn0.6O2結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響[J]. 化工學(xué)報(bào), 2017, 68(1): 398-407.

[2] 周羅增, 徐群杰, 湯衛(wèi)平, 等. 鋰離子電池富鋰錳基正極材料的研究進(jìn)展[J]. 電化學(xué), 2015, 21(2): 138-144.

[3] 馬磊磊, 連芳, 張帆, 等. 高能量密度鋰離子電池層狀錳基正極材料研究進(jìn)展[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2017(2): 167-174.

[4] 李普良, 徐春瑞, 孔龍, 等. 無定形Li-Mn-Al-Co-O前驅(qū)體制備改性尖晶石錳酸鋰[J]. 中國錳業(yè), 2016(03): 113-116.

[5] 孫艷霞, 周園, 申月, 等. 動力型鋰離子電池富鋰三元正極材料研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)通報(bào), 2017, 80(1): 34-40.

[6] 黃霞. 富鋰錳基層狀正極材料的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 中國錳業(yè), 2015(02): 9-13.

[7] 王國華, 夏永高, 劉兆平. 鋰離子電池富鋰錳基正極材料專利技術(shù)分析[J]. 儲能科學(xué)與技術(shù), 2016, 5(3): 388-395.

A Research of Anode Material for Lithium-ion Batteries in Rich Lithium Mn

WANG Shuai

(JiandeEnvironmentalMonitoringStation,Jiande,Zhejiang311600,China)

With continuous development of information technology, the new energy will be also in continuous flooding the market. Relative power in lithium ion batteries, including power density, will be related to life and rich lithium manganese anode material with high capacity and possesses in advantages of safety. At the same time, its cost is lower. It can promote the car electric scale promotion. This article mainly closes its study of lithium ion battery on manganese ore and metallurgical auxiliary materials which are related to geological rich lithium manganese anode materials.

Rich lithium-ion batteries; Lithium manganese anode materials; Research and analysis

2017-05-19

王帥(1981-)，女，黑龍江大慶人，工程師，研究方向：分析化學(xué)、化學(xué)工程與工藝，手機(jī)：15311869169，E-mail：2851132965@qq.com.

TM912

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10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.04.025