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锂离子电池正极材料知识 1. 锂离子电池的结构 2. 正极材料的选择 3. 各种正极材料 3.1 LiCoO2 3.2 LiNiO2 3.3 三元 3.4 LiFePO4 1. 锂离子电池的结构 发展高能锂离子电池的关键技术之一就是正极材料的开发。近几年来,负极材料和电解质的研究都取得了较大的进展,相对而言,正极材料的发展较为缓慢,商品化锂离子电池中正极材料的比容量远远小于负极材料,成为制约锂离子电池整体性能进一步提高的重要因素。因此,正极材料的研究受到越来越多的重视。 (2)允许大量的锂离子嵌入脱出,保证锂离子电池的高容量特性; 理论容量的计算:C0 = 26.8n m/M Co---- 理论容量;n---- 成流反应的得失电子数; m ---- 活性物质完全反应的质量;M----活性物质的摩尔质量 以LiCoO2为例: Co = 96500/M = 96500*1000/3600*98 = 273 mAh/g LiNiO2为274 mAh/g; LiMn2O4为148 mAh/g, LiFePO4为170 mAh/g。 (3)嵌入脱出过程的可逆性好,充放电过程中材料结构变化较小; (4)锂离子能够快速的嵌入和脱出,具有高的电子导电率和离子导电率; (5)在电解液中化学稳定性好; (6)低廉,容易制备,对环境友好等。 LiCoO2最早是由Goodenough等人在1980年提出可以用于锂离子电池的正极材料,之后得到了广泛的研究。 LiCoO2具有合成方法简单,工作电压高,充放电电压平稳,循环性能好等优点,是最早用于商品化的锂离子电池的正极材料,也是目前应用最广泛的正极材料。 从电子结构来看,由于Li+(1s2)能级与O 2 ?(2p6)能级相差较大,而Co3+(3d6)更接近于O2?(2p6)能级,所以Li-O间电子云重叠程度小于Co-O间电子云重叠程度,Li-O键远弱于Co-O键,在一定的条件下,Li+离子能够在CoO层间嵌入脱出,使LiCoO2成为理想的锂离子电池嵌基材料。由于锂离子在键合强的CoO层间进行二维运动,锂离子导电率高;另外,共棱的CoO6的八面体分布使Co与Co之间以Co-O-Co的形式发生作用,电子导电率也较高。 LiCoO2的理论容量为274 mAh/g,但在实际应用时,锂离子从LixCoO2中可逆嵌脱最多为0.5个单元,实际容量只有140 mAh/g左右。 LixCoO2在x = 0.5 附近会发生六方到单斜的结构相变,同时晶胞参数发生微小变化。当x ? 0.5时,LixCoO2中的钴离子将从其所在的平面迁移到锂所在的平面,导致结构不稳定而使钴离子通过锂离子所在的平面迁移到电解液中,并且此时钴(CoO2)的氧化性很强,容易和电解液发生反应失氧,造成很大的不可逆容量损失。因此在实用锂离子电池中,0 ? x ? 0.5,充放电电压上限为4.2 V,在此范围内,LiCoO2具有平稳的电压平台(约3.9 V),充放电过程中不可逆容量损失小,循环性能非常好。 充电过程中,随着脱锂,电导率会剧增6个数量级,达到1 S/cm ; 充电过程中,c轴变长,a轴变短,晶胞体积变大 与LiCoO2相似,理想的LiNiO2为?-NaFeO2 型六方层状结构,属 R-3m空间群, Li 和Ni分别占据3a位和3b位,LiNiO2正极材料的理论容量为275 mAh/g,实际容量达到180-200 mAh/g。相对于LiCoO2而言,镍的储量比钴大,价格便宜,而且环境污染小。 与LiCoO2相比,LiNiO2的制备条件比较苛刻,其组成和结构随合成条件的改变而变化。因为Ni2+难于氧化,按照制备LiCoO2的工艺合成出的LiNiO2几乎不具备电化学活性,必须要在含有O2的气氛中进行反应,合成的产物往往是非整比的LixNi2-xO2。在这种非整比产物中,部分Ni2+占据Li+位置(3a),在锂位产生部分无序的阳离子分布,降低了材料的结构有序性,为了维持Ni2+进入Li-O层后体系的电中性平衡,Ni-O层中也必然有等量的Ni2+存在(3b),化学式可以表示为[Li+yNi2+1-y]3a[Ni2+1-yNi3+y]3bO2?2,这就是“阳离子混排”现象。 LixNi2-xO2的非整比性对其电化学性能有较大的影响。LixNi2-xO2中占据锂位(3a)的Ni2+离子在首次充电(脱锂)时,
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