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锂离子电池原理及正负极材料的关键问题 锂电池是一类以金属锂或含锂物质作负极的电的化学源总称，自 1991 年锂 离子电池问世并商业化生产以来，锂离子电池因具有高的比能量，长循环寿命， 低自放电和绿色环保等一系列优点，受到当今社会的广泛关注和大力发展。 一、基本原理 所谓锂离子电池是指分别用两个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的活性物质作 为正负极构成的二次电池。电池充电时 , 锂离子从正极脱嵌 , 经过电解质嵌入负 极，放电时，锂离子则从负极脱出 , 插入正极。 以将炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池为例。 在充放电过程中， 没有金属锂存在， 只有锂离子。 当对电池进行充电时， 电池的正极上有锂离子生 成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。 而作为负极的碳呈层状结构， 它有很 多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中， 嵌入的锂离子越多， 充电容 量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程） ，嵌在负极碳层 中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通 常所说的电池容量指的就是放电容量。 在 Li-ion 的充放电过程中， 锂离子处于从 正极→负极→正极的运动状态。 Li-ion Batteries 就像一把摇椅，摇椅的两端为电 池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以 Li-ion Batteries 又叫 摇椅式电池。 正极反应 ：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。 正极可选材料很多，目前主流产品多采用锂铁磷酸盐 负极反应 ：放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。 负极材料多采用石墨。 电池总反应： 锂离子电池是由电极材料、 电解质和隔膜等部分组成 , 其性能在很大程度上 取决于电池组成材料的性能和制备工艺， 尤其是正极和负极材料。 因此研究高能 锂离子电池的关键技术是采用在充放电过程中能可逆地嵌脱锂离子的正、 负极材 料。 二、正负极材料 （一）正极材料 正极材料是锂离子电池发展的关键技术之一， 应满足条件： ①足在所要求的 充放电范围内 , 与电解质溶液有电化学相溶性；②温和电极过程动力学；③高度 可逆性：④全锂化状态下在空气中稳定性好。目前，常用的正极材料层状 LiMO 2 和尖晶石型 LiM 2O4 （M=Co, Ni, Mn, V 等过渡金属离子） 。 2.1.1 LiMO 2 型化合物 LiCoO2 属 α-NaFeO2 型结构 , 具有二维层状结构 , 适宜锂离子脱嵌。由于其 制备工艺简便 ,性能稳定 , 比容量高 , 循环性好 , 目前商品化锂离子电池大都采用 LiCoO2 作为正极材料。但是由 LiCoO2 价格较高 , 且过充电时易导致不逆容量损 失和极化电压增大 , 因此人们不断寻找和研究高比能 , 低成本 , 稳定性好的新 型正极材料。 LiNiO 2 比 LiCoO2 廉价，其结构与 LiCoO 2 相近，它具有较好的高温稳定性， 低自放电率，与多种电解液有良好的相溶性，是继 LiCoO2 后研究较多的层状化 合物。但 LiNiO 2 制备困难 , 要在氧气气氛下合成 , 工艺条件控制要求高 ,这些都 影响了它在锂离子电池中的应用 , 如果通过掺入或 Mn 或 Co等其它元素 , 可得到 较好的可逆性及较高的放电电位段。故