锂电池几种正极材料的优缺点.docx

. . .. .. 锂电池几种正极材料的优缺点 锂离子电池的性能主要取决于所用电池内部材料的结构和性能。这些电池内部材料包括 负极材料、电解质、隔膜和正极材料等。其中正、负极材料的选择和质量直接决定锂离子电 池的性能与价格。因此廉价、高性能的正、负极材料的研究一直是锂离子电池行业发展的重 点。负极材料一般选用碳材料，目前的发展比较成熟。而正极材料的开发已经成为制约锂离 子电池性能进一步提高、价格进一步降低的重要因素。在目前的商业化生产的锂离子电池中， 正极材料的成本大约占整个电池成本的 40％左右，正极材料价格的降低直接决定着锂离子电池价格的降低。对锂离子动力电池尤其如此。比如一块手机用的小型锂离子电池大约只需 要 5 克左右的正极材料，而驱动一辆公共汽车用的锂离子动力电池可能需要高达500 千克的正极材料。 衡量锂离子电池正极材料的好坏，大致可以从以下几个方面进行评估：（1）正极材料应有较高的氧化还原电位，从而使电池有较高的输出电压；（2）锂离子能够在正极材料中大量的可逆地嵌入和脱嵌，以使电池有高的容量；（3）在锂离子嵌入/脱嵌过程中，正极材料的结构应尽可能不发生变化或小发生变化，以保证电池良好的循环性能；（4）正极的氧化还原电位在锂离子的嵌入/脱嵌过程中变化应尽可能小，使电池的电压不会发生显著变化，以保证电池平稳地充电和放电；（5）正极材料应有较高的电导率，能使电池大电流地充电和放电； （6）正极不与电解质等发生化学反应；（7）锂离子在电极材料中应有较大的扩散系数，便于电池快速充电和放电；（8）价格便宜，对环境无污染。 锂离子电池正极材料一般都是锂的氧化物。研究得比较多的有LiCoO ，LiNiO ，LiMn O ， 2 2 2 4 LiFePO4 和钒的氧化物等。导电聚合物正极材料也引起了人们的极大兴趣。 、LiCoO 、 2 在目前商业化的锂离子电池中基本上选用层状结构的LiCoO2 作为正极材料。其理论容量为 274mAh/g，实际容量为140mAh/g 左右，也有报道实际容量已达155mAh/g。该正极材料的主要优点为：工作电压较高（平均工作电压为3.7V）、充放电电压平稳，适合大电流充放 电，比能量高、循环性能好，电导率高，生产工艺简单、容易制备等。主要缺点为：价格昂贵，抗过充电性较差，循环性能有待进一步提高。 、LiNiO 、 2 用于锂离子电池正极材料的 LiNiO2 具有与 LiCoO2 类似的层状结构。其理论容量为 274mAh/g，实际容量已达 190mAh/g～210mAh/g。工作电压范围为 2.5～4.2V。该正极材料的主要优点为：自放电率低，无污染，与多种电解质有着良好的相容性，与LiCoO2 相比价格便宜等。但LiNiO2 具有致命的缺点：LiNiO2 的制备条件非常苛刻，这给LiNiO2 的商业化 生产带来相当大的困难；LiNiO2 的热稳定性差，在同等条件下与LiCoO2 和 LiMn2O4 正极材 料相比，LiNiO2 的热分解温度最低（200℃左右），且放热量最多，这对电池带来很大的安全隐患；LiNiO2 在充放电过程中容易发生结构变化，使电池的循环性能变差。这些缺点使得 LiNiO2 作为锂离子电池的正极材料还有一段相当的路要走。 、LiMn O 、 2 4 用于锂离子电池正极材料的 LiMn2O4 具有尖晶石结构。其理论容量为 148 mAh/g，实际容量为 90～120 mAh/g。工作电压范围为 3～4V。该正极材料的主要优点为：锰资源丰富、价格便宜，安全性高，比较容易制备。缺点是理论容量不高；材料在电解质中会缓慢溶解， 2即与电解质的相容性不太好；在深度充放电的过程中，材料容易发生晶格崎变，造成电池容量迅速衰减，特别是在较高温度下使用时更是如此。为了克服以上缺点，近年新发展起来了一种层状结构的三价锰氧化物LiMnO 。该正极材料的理论容量为 286 mAh/g，实际容量为已达 200 mAh/g 左右。工作电压范围为3～4.5V。虽然与尖晶石结构的LiMn2O4 相比，LiMnO2 2 在理论容量和实际容量两个方面都有较大幅度的提高，但仍然存在充放电过程中结构不稳定 、性问题。在充放电过程中晶体结构在层状结构与尖晶石结构之间反复变化，从而引起电极体积的反复膨胀和收缩，导致电池循环性能变坏。而且LiMnO2 也存在较高工作温度下的溶解问题。解决这些问题的办法是对LiMnO2 进行掺杂和表面修饰。目前已经取得可喜进展。 、 LiFePO 4 该材料具有橄榄石晶体结构，是近年来研究的热门锂离子电池正极材料之一。其理论容量为 170 mAh/g，在没有掺杂改性时其实际容量已高达110 mAh/g。通过对LiFePO4 进行表面修饰，其实际容量可高达 165 mAh/