锂离子电池电极材料研究进展

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1、锂离子锂离子电池电极材料研究进展电池电极材料研究进展 锂离子电池由于其高比能量和高电压的优点，受到了锂离子电池由于其高比能量和高电压的优点，受到了人们的极大关注，已成为国际电池界商品化开发的热人们的极大关注，已成为国际电池界商品化开发的热点和重点。点和重点。 可充电锂电池技术发展的推动力主要来自三个方面：可充电锂电池技术发展的推动力主要来自三个方面：消费电子产品、电动汽车和可移植医疗器具（如人工消费电子产品、电动汽车和可移植医疗器具（如人工心脏）。心脏）。一、锂离子电池的发展与原理一、锂离子电池的发展与原理锂离子电池的发展可以追溯到上世纪锂离子电池的发展可以追溯到上世纪70年代。年代。第一个商

2、品化的可充式锂第一个商品化的可充式锂-二硫化钼电池于二硫化钼电池于1979年研究年研究成功，成功，1987年投产。年投产。不幸的是不幸的是1989年年8月，日本电信电话公司（月，日本电信电话公司（NTT）的）的汽车移动电话在使用该电池时发生了起火事件，原因汽车移动电话在使用该电池时发生了起火事件，原因是锂枝晶的形成导致正负极间的隔膜穿孔引起电池短是锂枝晶的形成导致正负极间的隔膜穿孔引起电池短路，后来该电池被迫停产。路，后来该电池被迫停产。 70年代末，法国的年代末，法国的Armand 先后提出了两种解决途径：先后提出了两种解决途径：1.采用聚合物固体电解质，它不与锂发生反应，可制备采用聚合物固

3、体电解质，它不与锂发生反应，可制备全固态锂金属二次电池；全固态锂金属二次电池；2.采用很低电压就能使锂离子嵌入脱出的材料来代替金采用很低电压就能使锂离子嵌入脱出的材料来代替金属锂，从而发展为正极和负极采用锂离子嵌入材料的属锂，从而发展为正极和负极采用锂离子嵌入材料的锂离子二次电池锂离子二次电池 根据第二条解决途径，根据第二条解决途径，1991年，日本年，日本Sony公司公司推出了第一代商业化锂离子电池，成为锂离子电推出了第一代商业化锂离子电池，成为锂离子电池发展史上的一个里程碑。池发展史上的一个里程碑。和以往不同的是，这一代的锂离子电池分别用两种不同和以往不同的是，这一代的锂离子电池分别用两种

4、不同的插层化合物作电极，在正极上采用的是的插层化合物作电极，在正极上采用的是LiCoO2，而负，而负极则用石墨替代了原先的极则用石墨替代了原先的Li金属。金属。负极材料的改变解决了长期困扰锂电池的负极材料的改变解决了长期困扰锂电池的Li枝晶问题，枝晶问题，从而大大提高了电池的安全性。从而大大提高了电池的安全性。 锂离子电池商业化的成功，引起了全世界的广泛关注，锂离子电池商业化的成功，引起了全世界的广泛关注，多年来，各国政府都投入了大量的人力物力进行研究多年来，各国政府都投入了大量的人力物力进行研究和开发，有力地促进了锂离子电池的商业化发展。和开发，有力地促进了锂离子电池的商业化发展。十几年来，

5、锂离子电池不仅在产量和产值取得了巨大十几年来，锂离子电池不仅在产量和产值取得了巨大的飞跃，而且其应用领域也大大拓宽了。的飞跃，而且其应用领域也大大拓宽了。 目前，锂离子电池已经被广泛应用于移动通讯、便携目前，锂离子电池已经被广泛应用于移动通讯、便携式笔记本电脑、摄像机、便携式仪器仪表等领域。随式笔记本电脑、摄像机、便携式仪器仪表等领域。随着这些电器的高能化，轻量化，对锂离子电池的需求着这些电器的高能化，轻量化，对锂离子电池的需求也越来越迫切。也越来越迫切。除了适应电器市场向微型化发展以外，锂离子电池也除了适应电器市场向微型化发展以外，锂离子电池也在向大型电动设备方向发展，被看作是未来电动汽车在

6、向大型电动设备方向发展，被看作是未来电动汽车动力电源的重要候选者之一，并在空间技术、国防工动力电源的重要候选者之一，并在空间技术、国防工业等大功率电源方面展示出广阔的应用前景。业等大功率电源方面展示出广阔的应用前景。 锂离子电池是以锂离子电池是以Li+嵌入化合物为正负极的二次电池，嵌入化合物为正负极的二次电池，实际上是一个锂离子浓差电池，正负极由两种不同的实际上是一个锂离子浓差电池，正负极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。锂离子嵌入化合物组成。 通常正极采用锂化合物，负极采用锂碳层间化合物。通常正极采用锂化合物，负极采用锂碳层间化合物。电介质为锂盐的有机电解液。电介质为锂盐的有机电解液。在充放

7、电过程中，在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱出，在两个电极之间往返嵌入和脱出，被形象地称之为被形象地称之为“摇椅式电池摇椅式电池”。 锂离子电池的工作原理示意图锂离子电池的工作原理示意图 充电时，充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，正极从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，正极处于贫锂态，同时电子的补偿从外电路供给到碳负处于贫锂态，同时电子的补偿从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡。放电时，极，保证负极的电荷平衡。放电时， Li+从负极脱从负极脱嵌经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态。嵌经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态。在正常充放电过程中，在正常充放电过程中， Li+在层状结

8、构的碳材料和在层状结构的碳材料和层状结构的金属氧化物的层间嵌入和脱出，一般只层状结构的金属氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层面间距变化，不破坏晶体结构。因此，从充引起层面间距变化，不破坏晶体结构。因此，从充放电反应的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想放电反应的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。的可逆反应。正 极 反 应 ： LiM O2 Li1-xM O2 + xLi+ + xe负 极 反 应 ： nC + xLi+ + xe LixCn电 池 总 反 应 ： LiM O2 + nC Li1-xM O2 + LixCn充 电放 电充 电放 电充 电放 电（ ） Cn | LiCl

9、O4-EC+DEC | LiM O2 ( )锂离子电池的电化学表达式锂离子电池的电化学表达式 式中：M=Co，Ni，Mn等，正极化合物有LiCoO2，LiNiO2， LiMn2O4等，负极化合物有C，Li，WO3等。 EC：碳酸乙烯酯 DEC：碳酸二乙酯1、电池电压高电池电压高。商品锂离子电池的工作电压为。商品锂离子电池的工作电压为3.6V，是，是Ni-Cd、Ni-MH电池的三倍。电池的三倍。2、比容量大比容量大。锂离子电池的比能量已经达到。锂离子电池的比能量已经达到180Wh/kg，是，是Ni-Cd电池的电池的3倍，倍，Ni-MH电池的电池的1.5倍。倍。3、能量密度高，开发潜力大能量密度高

10、，开发潜力大。锂离子电池具有较高的工作电压和体。锂离子电池具有较高的工作电压和体积比容量，因此具有较高的能量密度。但实际能量密度与理论值积比容量，因此具有较高的能量密度。但实际能量密度与理论值还有较大的差距，因此尚有较大的发展空间。还有较大的差距，因此尚有较大的发展空间。4、循环寿命长循环寿命长。通常具有大于。通常具有大于1000次的循环寿命，在低放电深度次的循环寿命，在低放电深度下可以达到几万次，超过其它二次电池下可以达到几万次，超过其它二次电池 。 锂离子电池与其它蓄电池相比，具有以下优点：锂离子电池与其它蓄电池相比，具有以下优点： 5、安全性能高安全性能高。锂离子电池充放电过程中没有金属

11、锂的出现，避免。锂离子电池充放电过程中没有金属锂的出现，避免了锂电池中金属锂造成的安全问题。此外，电池中具有多种安全了锂电池中金属锂造成的安全问题。此外，电池中具有多种安全保护措施，有效地避免了电池过充产生的安全问题。保护措施，有效地避免了电池过充产生的安全问题。6、自放电率低自放电率低。锂离子电池在首次充电（化成）过程中在碳负极材。锂离子电池在首次充电（化成）过程中在碳负极材料表面形成一层具有离子导电性而对电子绝缘的固体电解质中间料表面形成一层具有离子导电性而对电子绝缘的固体电解质中间相膜（相膜（SEI），可较好的阻止自放电的发生。在充电状态下，锂），可较好的阻止自放电的发生。在充电状态下，