文档介绍：《材料科学进展》课程论文
论文题目: 锂离子电池三元复合正极材料的
研究进展
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锂离子电池三元复合正极材料的研究进展
摘要:本论文对锂离子电池进行简要介绍,详细综述了锂离子电池三元复合正极材料结构,制备方法,改性及应用的安全性,并展望了锂离子电池未来的发展前景。
关键词:锂离子电池三元复合正极材料改性安全性
Reviews on the cathode material of lithium-ion battery plex
Abstract: This paper makes a brief introduction on lithium-ion battery,and over- views the structure, preparation methd,modification and the security of application about the plex cathode materi al of lithium-ion in detail. Finally, there are some prospects for the development of lithium-ion battery.
Key words:lithium-ion battery;plex;cathode material;modification;security
1前言
“十二五”期间,得益于新能源汽车、新能源建设的高调运行,“锂离子电池”题材仍然保持着较高的热忱。锂离子电池性能优越,用途广泛,前景最为广阔。相对于铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池等二次电池,锂离子电池具有电压高、比能量高、无记忆效应、循环寿命长和无环境污染等特点,被广泛应用于移动电话、笔记本电脑和其他便携式电子设备中。锂离子电池的综合性能与电池材料的性能密切相关,其发展历程总是伴随着电池材料的不断改进与创新。[1-3]
锂离子电池材料主要包括:正极材料、负极材料以及电解质溶液。其中负极材料已经由过去的金属氧化物、金属硫化物体系发展到今天的高性能碳材料体系(如石墨、石油焦、碳纤维、热解碳、中间相沥青基碳微球等),甚至是性能更加优异的Li4Ti5O12体系材料。电解质的相关研究也由传统的液态电解质发展到性能更加优异的聚合物电解质体系及电导率更高的离子液体电解质。而相对于负极材料和电解质而言,正极材料的发展则较为缓慢,已经成为制约锂离子电池整体性能进一步提高的重要因素。因此,正极材料的研发成为发展高性能锂离子电池的关键技术之一。
目前锂离子电池所用的正极材料主要有:锂的过渡金属氧化物,包括六方层状结构的 LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2 和LiNi1-x-yCoxMnyO2(0≤x≤1、0≤y≤1,x+y≤1),尖晶石结构的LiMn2O4 以及聚阴离子类正极材料如LiMPO4、LiVPO4F等。其中,LiCoO2是最早也是目前商业化锂离子电池中应用范围最广的正极材料。但是Co资源短缺,价格昂贵,同时Co对环境有污染,安全性能较差;
LiNiO2 由于合成条件苛刻,很难制备出一定化学计量比的产物;层状的LiNiO2 虽然具有200 mAh·g-1以上的理论比容量,但结构稳定性较差;尖晶石结构的LiMn2O4比容量偏低,并且存在着较严重的容量衰减问题,特别是温下衰减更为严重。橄榄石型LiFePO4(LFP)由于具有较高的理论比容量、非常稳定的放电平台电压、良好的电极可逆性、优异的化学稳定性和热稳定性以及低廉的价格和良好的环境友好性,在化学电源领域受到广泛关注。同时,通过如金属离子掺杂、表面修饰改性以及纳米化等技术已经可以在一定程度上解决由于LiFePO4材料本征电导率较低而对材料电化学性能产生不利影响的问题。但该材料依然存在着低温性能较差、振实密度偏低、功率密度不高以及由于放电平台电压较低而导致的比能量密度较低等问题,从而限制了其应用(图1)。三元复合锂离子电池Li-Ni-Co-Mn-O在价格、热稳定性,以及循环稳定性方面具有优势,是目前高容量( 首次放电容量高达140- 200mAh/g) 电极材料的重要发展方向。Li-Ni-Co-Mn-O与LiCoO2 同为a-NaFeO2 型层状结构,属于R3m空间,放电范围较宽(-),是目前的研究热点[4]。
图 1 几种二次电池能量密度对比
of energy density of lithium-ion batteries
2三元复合材料的结构特点
Li-Ni-O体系的衍生物Li-Ni-(Co)-Mn-O化合物具有与LiCoO2相同的