三元材料鋰電池是怎么回事(三).doc

三元材料鋰電池是怎么回事（三）鋰電池科普知識(shí)在自然界中，鋰元素是最輕的金屬，它的原子量為6.94g/mol，=0.53g/cm-3，電化學(xué)當(dāng)量最小，為0.26 gAh-1，標(biāo)準(zhǔn)電極電位最負(fù)，為-3.045 V，鋰元素的這些特點(diǎn)決定了它是一種具有很高比能量的材料。層狀的Co02，其理論容量為274 mAhg，實(shí)際容量在140155 mAhg。其優(yōu)點(diǎn)為：工作電壓高，充放電電壓平穩(wěn)，適合大電流放電，比能量高，循環(huán)性能好。缺點(diǎn)是：實(shí)際比容量僅為理論容量的50左右，鈷的利用率低，抗過充電性能差，在較高充電電壓下比容量迅速降低。另外，再加上鈷資源匱乏，價(jià)格高的因素，因此，在很大程度上減少了鉆系鋰離子電池的使用范圍，尤其是在電動(dòng)汽車和大型儲(chǔ)備電源方面受到限制。鎳鈷錳三元復(fù)合正極材料研究工作中面臨的問題和不足(1)合成工藝不成熟，工藝復(fù)雜。由于世界各國對(duì)于復(fù)合正極材料的研究最近幾年才開始，且材料中的Ni2+極難氧化成Ni3+，錳離子也存在多種氧化價(jià)態(tài)，因而合成層狀結(jié)構(gòu)的正極材料較為困難，尚未研究出最佳的合成工藝。由于大量摻入過渡金屬元素等因素，復(fù)合正極材料的合成工藝相對(duì)復(fù)雜，需經(jīng)過長時(shí)間的煅燒，并且大多只能在氧氣氣氛中，溫度高于900的條件下合成出具有優(yōu)異電化學(xué)性能的復(fù)合正極材料，這對(duì)于該材料的工業(yè)化生產(chǎn)帶來了很大的局限性。(2)忽略了鎳鈷錳三元復(fù)合正極材料合成過程中前驅(qū)體的研究。由于目前合成復(fù)合正極材料均需煅燒，而國內(nèi)外普遍采用直接市售的、Ni-H電池及陶瓷行業(yè)專用的鎳化物、鈷化物和錳化物作為煅燒原料進(jìn)行合成，僅考慮原料的化學(xué)組成，而未注意到煅燒前驅(qū)體的種類和相關(guān)性能對(duì)復(fù)合正極材料的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能產(chǎn)生的巨大影響。目前開發(fā)高性能、低成本的新型鋰離子電池正極材料的研究思路主要有：(1)充分綜合鈷酸鋰良好的循環(huán)性能、鎳酸鋰的高比容量和錳酸鋰的高安全性及低成本等特點(diǎn)，利用分子水平混合、摻雜、包覆和表面修飾等方法合成鎳鈷錳等多元素協(xié)同的復(fù)合嵌鋰氧化物；(2)高安全性、價(jià)廉、綠色環(huán)保型橄欖石結(jié)構(gòu)的LiMPO4 (M=Fe、Mn、V等)的改性和應(yīng)用；(3)通過對(duì)傳統(tǒng)的鈷酸鋰、鎳酸鋰和錳酸鋰等正極材料進(jìn)行改性、摻雜或修飾，以改善其理化指標(biāo)和電化學(xué)性能。其中利用具有多元素過渡金屬協(xié)同效應(yīng)的鎳鈷錳等復(fù)合嵌鋰氧化物，因其良好的研究基礎(chǔ)及可預(yù)見的應(yīng)用前景而成為近年備受關(guān)注的焦點(diǎn)之一。鋰離子電池正極材料應(yīng)達(dá)到的要求：鋰離子電池正極材料一般均采用嵌入化合物，主要是過渡金屬氧化物，一方面，過渡金屬存在混合價(jià)態(tài)，電子導(dǎo)電性比較理想；另一方面不易發(fā)生歧化反應(yīng)。性能優(yōu)良的鋰離子電池正極材料應(yīng)該具有以下幾個(gè)方面的性能：(l)正極材料中要有豐富的鋰存在，這樣才能夠有大量的鋰進(jìn)行可逆嵌入和脫嵌反應(yīng)，就可以使電池的容量得到提高。在鋰離子脫嵌時(shí)電極反應(yīng)的自由能變化不大，以保證電池充放電電壓平穩(wěn)。(2)在進(jìn)行嵌入/脫嵌過程中，鋰離子要具有良好的嵌入和脫嵌可逆性，并且在這個(gè)過程中正極材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)該變化很少，這樣有利于提高鋰離子電池的循環(huán)性能，具有大量的界面結(jié)構(gòu)和表觀結(jié)構(gòu)，有利于增加嵌鋰的空間位置，提高嵌鋰容量。(3)正極材料需具有大孔徑隧道結(jié)構(gòu)，以便鋰離子在“隧道”中有較大的擴(kuò)散系數(shù)和遷移系數(shù)，并具有良好的電子導(dǎo)電性和離子導(dǎo)電性，這樣可減少極化，提供最大工作電流。(4)作為正極材料的嵌入化合物，應(yīng)該與電解液盡可能的少反應(yīng)或者不反應(yīng)，彼此間的化學(xué)相容性要好，在整個(gè)充放電過程中電化學(xué)穩(wěn)定性高，并且與電解質(zhì)保持良好的熱穩(wěn)定性，以保證工作的安全。(5)過渡金屬離子在嵌入化合物中應(yīng)具有較高的氧化還原電位，從而使電池的輸出電壓高。氧化還原電位隨鋰離子的變化盡可能少，這樣電池的電壓不會(huì)發(fā)生顯著地變化，可保持較平穩(wěn)的充電和放電。(6)電解液的穩(wěn)定電位區(qū)間大于電池的應(yīng)用電位區(qū)間。(7)在產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化方面，正極材料應(yīng)該具備原材料容易獲得，價(jià)格相對(duì)低廉，對(duì)環(huán)境無污染，能量密度高，易于制作成各種形狀的電極結(jié)構(gòu)，提高鋰離子電池的性能價(jià)格比。三元材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的發(fā)展：近年來，為應(yīng)對(duì)汽車工業(yè)迅猛發(fā)展帶來的諸如環(huán)境污染、石油資源急劇消耗等負(fù)面影響，各國都在積極開展采用清潔能源的電動(dòng)汽車EV以及混合動(dòng)力電動(dòng)車HEV的研究。其中作為車載動(dòng)力的動(dòng)力電池成為EV和HEV發(fā)展的主要瓶頸。商業(yè)化的鋰離子電池主要采用LiCoO2作為正極材料，LiCoO2存在安全性和耐過充性問題，Co屬于稀有資源，價(jià)格昂貴，且金屬鈷容易對(duì)環(huán)境造成污染。而LiNiO2的穩(wěn)定性差，容易引起安全問題，需在氧氣氣氛下合成，并且容易發(fā)生陽離子混排和生成非化學(xué)計(jì)量結(jié)構(gòu)化合物。錳系正極材料價(jià)格低廉，資源豐富，分布廣泛，其中層狀LiMnO2是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定材料，容量雖高，但是在充放電過程中層狀結(jié)構(gòu)會(huì)向尖晶石型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致比容量衰減快，電化學(xué)性能不穩(wěn)定。LiMn2O4在循環(huán)過程中容易發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變以及錳離子的溶解和Jahn-Teller效應(yīng)，導(dǎo)致電池容量衰減。LiFePO4可稱為零污染正極材料，由于其在價(jià)格便宜和高安全性方面的優(yōu)勢(shì)，而倍受重視，近年來，該材料得到廣泛研究和應(yīng)用，但該材料電導(dǎo)率低，且振實(shí)密度小，因而，其應(yīng)用領(lǐng)域依然受到很大限制。綜合LiCoO2,LiNiO2,LiMnO2三種鋰離子電池正極材料的優(yōu)點(diǎn)，三元材料的性能好于以上任一單一組分正極材料，存在明顯的協(xié)同效應(yīng)，被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的新型正極材料。通過引入Co，能夠減少陽離子混合占位，有效穩(wěn)定材料的層狀結(jié)構(gòu)，降低阻抗值，提高電導(dǎo)率。引入Ni,可提高材料的容量。引入Mn，不僅可以降低材料成本，而且還可以提高材料的安全性和穩(wěn)定性。三元材料可以按照不同比例，由鎳鈷錳三種金屬元素組成復(fù)合型過渡金屬氧化物，用通式LiNi1-x-yCoxMnyO2來表示。目前比較普遍的做法是將Ni/Mn兩種金屬元素的摩爾比固定為1：1，以維持三元過渡金屬氧化物的價(jià)態(tài)平衡，然后再調(diào)整它們與Co元素的比例，在平衡性能和成本的基礎(chǔ)上，優(yōu)化組成?，F(xiàn)在文獻(xiàn)中最常見的組成是LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2三元正極材料，此外還有LiNi2/5Co1/5Mn2/5O2 ，LiNi3/8Co2/8Mn3/8O2等。作為一類具有三元協(xié)同效應(yīng)的功能材料，Ni、Co、Mn的計(jì)量比對(duì)該材料的合成及性能影響顯著。一般來說，Ni的存在能使LiNixCoyMn1-x-yO2的晶胞參數(shù)c和a值分別增加，同時(shí)c/a值減小，晶胞體積相應(yīng)增大，有助于提高材料的可逆嵌鋰容量。但過多Ni2+的存在又會(huì)因?yàn)榕cLi+發(fā)生位錯(cuò)現(xiàn)象而使材料的循環(huán)性能惡化。、Co能有效地穩(wěn)定復(fù)合物的層狀結(jié)構(gòu)并抑制3a和3b位置陽離子的混合，即減小Li層與過渡金屬層的陽離子混合，從而使鋰離子的脫嵌更容易，并能提高材料的導(dǎo)電性和改善其充放電循環(huán)性能；但隨Co的比例增大，晶胞參數(shù)中的c和a值分別減小，c/a值反而增加，使得晶胞體積變小，導(dǎo)致材料的可逆嵌鋰容量下降。而Mn的引入除了大幅度降低成本外，還能有效地改善材料的安全性能，但Mn的含量太高則容易出現(xiàn)尖晶石相而破壞材料的層狀結(jié)構(gòu)。目前，鎳鈷錳三元正極材料的研究主要集中在材料的合成以及電化學(xué)性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系上。在實(shí)際電池中，正極材料顆粒的形貌、粒徑分布、