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锂离子电池正极材料 ——纳米结构材料 目 录 1.1 锂离子电池工作原理 1.2 与锂离子电池相关的挑战 目前，锂离子电池技术发展所面临的主要挑战简单地归纳如下： 1）实际容量不足——比理论容量低，且随充放电循环减小。 2）功率密度不够 3）能量效率太低——充放电过程中产生极化电阻。 4）循环寿命有限——容量随循环减小。 锂离子电池的性能受以下方面所限： 1）形态和微结构的变化； 2）活性电极材料的体积变化； 3）结构变化（相变）； 4）绝缘相的生成。 纳米材料的结构不同于常规物质,属于物质由宏观世界向微观世界的过渡区域。有以下特点： 运动物质运输快：材料的颗粒尺寸小，从而影响电荷、质量和能量的转移过程。 表面效应：它具有很大的比表面积(S/V)，即相同体积的纳米材料比一般材料的表面积大很多。表面自由能和纳米材料的应力变力影响相的稳定性和结构转化，从而影响电化学性能和催化活性。 机械强度：纳米材料表现出显著的机械强度韧性和结构完整性。 2.2 锂离子电池纳米材料的独特优点 表面积大：可增加电极与电解液间的接触面积，从而增加电极反应活性位点，因此，减小电极极化受损，改善功率密度。 纳米尺寸的纳米结构电极：扩散距离短，减小Li+和电子扩散必须经过的距离 提高机械强度和结构完整性； 纳米材料可产生新的储Li机理，比传统夹层机理得到更高的容量。 2.3纳米结构材料电极的缺点 制备成本高（合成过程复杂） 可产生副反应（比表面积大） 形成团聚（在电极上难以分散均匀） 纳米尺寸难以控制 许多层状，尖晶石，橄榄石状正极材料，锂离子和电子扩散系数低，电导率低。为了克服这些局限性，已探索出一些制备独特结构纳米材料的方法。 3.1 LiCoO2纳米管 The pores of AAO membrane were dipped into the LiCoO2 sol-gel precursors for 10 min and taken out for heating at 500°C for 8h in air atmosphere, resulting in the formation of nanotubes template composites, then they were dissolved in 6 M NaOH solution to remove the alumina and to obtain LiCoO2 nanotubes. 3.2 LiFePO4橄榄石结构 3.3 LiMn2O4纳米管 在所有现有的电池中，锂离子电池中仍然是最先进的,但他们还不能够满足新兴技术日益增长的需要，主要现有的正极材料的能量密度限制。所以对锂离子电池正极材料的研究就越显得重要。 Page ? * * 讲解人：周清清 锂离子电池工作原理及相关挑战 纳米结构材料的独特属性 作锂离子电池正极材料的嵌入化合物 锂离子电池工作原理及相关挑战 锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌。 充电时，Li+从正极脱出并嵌入负极晶格正极处于贫锂态 ； 放电时，Li+从负极脱出并插入正极，正极为富锂态。 纳米结构材料的独特属性 2.1. 为什么纳米材料表现如此不同 作锂离子电池正极材料的嵌入化合物 TEM images of the as-prepared LiCoO2 nanotube 电化学测试表明：纳米管电极充放电能力高，可逆性好，从图上可以看出放电容量可达到170mAh/g Variation of discharge capacity vs number of cycles for the lithium ion cells The charge discharge profile shown in Fig. 3a reveals that the LiFePO4–PEDOT nanohybrid exhibits high discharge capacity (166 mAh/g) close to that of the theoretical value (170 mAh/g) with little difference between the charge and discharge curves. (a) SEM and (b) TEM micrographs of MnO2 precursor coating on MWCNTs; (c) SEM and (d) TEM micrographs of th