馬曉玲

摘 要:鋰離子電池和傳統(tǒng)的蓄電池比較起來(lái),不但能量更高,放電能力更強(qiáng),循環(huán)壽命更長(zhǎng),而且其儲(chǔ)能效率能夠超過90％,以上特點(diǎn)決定了鋰離子電池在電動(dòng)汽車、存儲(chǔ)電源等方面極具發(fā)展前景。本文對(duì)對(duì)鋰離子電池的正極材料、負(fù)極材料、電解液等方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞:鋰離子電池正極材料負(fù)極材料電解液

中圖分類號(hào):TM91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2012)06(b)-0240-01

鋰離子電池能夠大規(guī)模地運(yùn)用于電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè),并用于太陽(yáng)能與風(fēng)能等清潔能源的保存。因此,如今鋰離子電池技術(shù)已經(jīng)成為研究人員及企業(yè)高度關(guān)注的重要課題。鋰離子電池憑借其極高的能量密度、較長(zhǎng)循環(huán)的壽命、快速充電與放電等諸多方面的優(yōu)勢(shì)以及不斷降低的生產(chǎn)制作成本,已經(jīng)成為今后十至二十年中電動(dòng)汽車的首選電池。為此,筆者對(duì)鋰離子電池的研究現(xiàn)狀開展了研究。

1正極材料研究現(xiàn)狀

鋰離子電池的正極材料將直接影響到鋰電池所具有的能量密度性能、比功率特點(diǎn)、溫度特點(diǎn)和安全特點(diǎn)等等。在當(dāng)前的市場(chǎng)化鋰離子電池中,其正極材料主要包括了LiCoO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LixMn2O4等LiFePO4等四種。第一種是LiCoO2,這是第一代市場(chǎng)化鋰離子電池正極材料,具備了一些優(yōu)勢(shì),如比能量相對(duì)而言比較高,循環(huán)性能以及高、低溫狀態(tài)下的工作性能較好,與之相對(duì)應(yīng)的鋰離子電池產(chǎn)品一般用在各類小型電子設(shè)備。然而,因?yàn)槭褂眠@一材料的電池在安全性和耐過充性上相對(duì)較差,再加上Co資源較為稀缺,其價(jià)格十分昂貴,由此而無(wú)法成為大容量車用與儲(chǔ)能鋰電池正極上使用的材料。第二種是LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2,這是一種具有了高容量的三元類材料,其可逆比容量能夠達(dá)到160mAh/g之上,是一種十分有前途的正極材料。這一材料和電解液之間的相容性比較好,循環(huán)性能十分好,能夠應(yīng)用于手機(jī)電池和動(dòng)力電池等很多產(chǎn)品之中。因?yàn)槿牧蠒?huì)鑒于Ni、Co、Mn等三種元素的比例變化而具有不一樣的性能,可見,這類材料能夠產(chǎn)生出大量的正極材料,從而滿足于各類產(chǎn)品之需求。第三種是LixMn2O4,這是一種成本更加低的材料,其熱穩(wěn)定性與抗過充電性均超過了LiCoO2與LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2,其三維隧道結(jié)構(gòu)要比層間化合物更加有利于Li+的嵌入與脫出,主要應(yīng)用在高功率動(dòng)力電池上。然而,其相對(duì)較低的110mAh/g的比容量以及較差的300次循環(huán)性能,尤其是高溫循環(huán)性之差導(dǎo)致其運(yùn)用具有非常大的限制。第四種是LiFePO4。這是一種磷酸鹽聚陰離子化合物,也是近年來(lái)較快地發(fā)展起來(lái)的正極材料之一,具備了比較高的安全性,其耐高溫性相當(dāng)好,循環(huán)性能也具有優(yōu)勢(shì),從而使其在動(dòng)力電池與備用電源領(lǐng)域具有十分廣闊的實(shí)際運(yùn)用前景。然而,同時(shí)其也存在著電壓平臺(tái)比較低、電導(dǎo)率較低以及低溫的放電性與倍率放電差等特點(diǎn)。綜合考慮正極材料的未來(lái)發(fā)展前景,磷酸鐵鋰材料中所存在的一系列問題必將得到合理的解決,學(xué)者們與企業(yè)所一致看好的LiFePO4能夠在車用電池領(lǐng)域當(dāng)中具備較好的發(fā)展前景。

2負(fù)極材料研究現(xiàn)狀

當(dāng)前,對(duì)于鋰電池負(fù)極材料的研究主要集中于碳材料、合金材料鈦酸鋰以及過渡金屬氧化物等等。其中,碳材料是研究者最早投入研究并用在鋰電池生產(chǎn)中的負(fù)極材料。依據(jù)負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)特性,一般分為三類:石墨,易石墨化碳即軟碳,難石墨化碳,即硬碳。因?yàn)檐浱己褪哂械慕Y(jié)晶性能較為類似,一般均覺得其比硬碳更為容易插入鋰之中,也就是更為容易進(jìn)行充電,其安全性自然也就更加好。石墨類材料的技術(shù)相對(duì)來(lái)說較為成熟。常規(guī)鋰電池負(fù)極材料主要有天然石墨、天然石墨改性材料、中間相炭微球以及石油焦類人造石墨等,其中中間相炭微球的結(jié)構(gòu)較為特殊,呈現(xiàn)出球形的片層結(jié)構(gòu),而且表面上較為光滑,其直徑介于5m～40m之間,這一材料所具有獨(dú)特的形貌導(dǎo)致其在比容電量(能夠達(dá)到330mAh/g之上)、安全性能、放電效能及循環(huán)壽命(循環(huán)次數(shù)在2000次之上)等諸多方面具備了明顯的優(yōu)勢(shì),然而其成本有待于進(jìn)一步降低。當(dāng)前,硬碳材料因?yàn)榫哂惺仔л^低、壓實(shí)的密度較低、工藝上不夠成熟等大量問題,所以尚未進(jìn)入到大規(guī)模的商品化之中,而國(guó)內(nèi)對(duì)這一領(lǐng)域尚處在試驗(yàn)階段之中,有關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道非常少。除了上述碳類負(fù)極材料之外,其他的負(fù)極材料包括了錫基復(fù)合氧化物、碳硅復(fù)合材料以及鈦酸鋰等,其中的鈦酸鋰是目前重要的研究熱點(diǎn)。這種材料是一種嵌入式的化合物,呈現(xiàn)出尖晶石結(jié)構(gòu),還可嵌入Li+。目前,電極理論嵌鋰容量的大小是175mAh/g。在作為鋰動(dòng)力電池負(fù)極材料之時(shí),鈦酸鋰具備了十分顯著的有利條件,不僅循環(huán)壽命非常長(zhǎng),而且鈦酸鋰的體積變化十分小,被稱之為零應(yīng)變材料。鈦酸鋰與電解液間在界面上不會(huì)出現(xiàn)SEI膜,而且內(nèi)阻并不會(huì)有增加,其安全性能十分優(yōu)異,電壓平臺(tái)在1.5V左右,不容易導(dǎo)致金屬鋰的析出。電壓的平臺(tái)較為穩(wěn)定,具備了極好的耐過充性能以及耐過放性能。然而,鈦酸鋰電極電位相對(duì)而言比較高,其壓實(shí)密度與重量比能量相對(duì)而言比較低,導(dǎo)致導(dǎo)電性差與大倍率性能需要進(jìn)一步提升,而產(chǎn)品的一致性與電池的加工性能相對(duì)而言也比較差,從而限制了鈦酸鋰更加廣泛的市場(chǎng)化運(yùn)用。

3電解液研究現(xiàn)狀

電解質(zhì)的作用是在正、負(fù)極之間輸送與傳導(dǎo)鋰離子。當(dāng)前,電解液的溶劑包括了碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯以及碳酸甲乙酯等五類。當(dāng)前,動(dòng)力電池一般是以LiPF6為電解質(zhì)鹽的,并由碳酸乙烯酯與直鏈碳酸酯共同構(gòu)成的混合溶劑作為電解液。然而,因?yàn)長(zhǎng)iPF6的熱穩(wěn)定性與化學(xué)穩(wěn)定性相對(duì)比較差,對(duì)于怎么進(jìn)一步提升動(dòng)力與儲(chǔ)能電池安全性能、循環(huán)性能等方面具有無(wú)法忽視的負(fù)面影響。所以,要不斷研究新型電解質(zhì)鋰鹽、功能添加劑的作用,這已成為這些年來(lái)鋰電池電解液研究的重要方向,因此,二草酸硼鋰在鋰離子電池當(dāng)中的運(yùn)用已經(jīng)引起了研究者更大的關(guān)注。用這種鹽所配制而成的電解液具有抗過充與阻燃等作用,所形成的SEI膜十分穩(wěn)定。LiMn2O4在LiBOB電解液當(dāng)中的分解熱只達(dá)到60J/g,而LiFePO4則更低,大概是6～8J/g,如此一來(lái),就能極大地提升動(dòng)力電池的安全性。因此,把LiBOB視為添加劑加以運(yùn)用,和LiPF6進(jìn)行混合使用,能夠極大地提升動(dòng)力電池所具有的高溫循環(huán)作用。

4結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前,中國(guó)已將新能源汽車業(yè)列為今后一個(gè)時(shí)期大力發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一,這就為鋰離子電池打開了更為廣闊的市場(chǎng)空間。同時(shí),在電動(dòng)自行車領(lǐng)域、航天領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域之中,鋰離子電池也具有非常好的發(fā)展前景。筆者堅(jiān)信,隨著鋰離子電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,鋰離子電池所具有的性能必然會(huì)愈來(lái)愈高,其應(yīng)用價(jià)值也會(huì)越來(lái)越大,并朝著高能量密度化、高功率化、大型化等趨勢(shì)繼續(xù)發(fā)展。

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