锂离子电池基础问题系列之正负极材料

锂离子电池基础问题系列正极材料及负极材料01正极材料鉴于含Li的负极材料在空气中一般不稳定，安全性较差，目前开发的锂离子电池均以正极材料作为锂源。在目前的锂离子电池体系中，整个电池的比容量受限于正极材料的容量，除此之外，在电池的生产中，正极材料的成本占总材料成本的30%以上。因此，制备成本低同时具有高能量密度的正极材料是目前锂离子电池研究与生产的重要目标。为了使锂离子电池具有较高的能量密度、功率密度，较好的循环性能及可靠的安全性能，正极材料的选择应满足以下条件：正极材料起到锂源的作用，它不仅要提供在可逆的充放电过程中往返于正负极之间的Li离子，而且还要提供首次充放电过程中在负极表面形成SEI膜时所消耗的Li离子；提供较高的电极电位且在充放电过程中，电压平台稳定;正极活性物质电化当量小，可逆嵌脱锂量大，锂离子扩散系数高，具有较高的离子和电子电导率；充放电过程中结构稳定型性好；资源丰富，无毒，化学稳定性好，制备成本低。目前商用化使用的锂离子电池正极材料按结构主要分为三类:六方层状晶体结构的LiCoO2；立方尖晶石晶体结构的LiMn2O4；正交橄榄石晶体结构的LiFePO4。其结构和性能见下图和下表:㈤L&5 ㈤麻1崛 (c)LiFePOfl表1堆见锂屈子电池正板材料"其性能I"必futileII'hrprvpurti劈ofcuiKinierfiailpusrliivt^Icclriidc。|图依「正门”「，"中大案解用能跟俳燧截伸牯酸钟.元娜砧怙也学KLiFcPO.U-iMrinClfcLiCsiOjfLilNLC电MgJO』品鼎州构吃阍而常居1生肥而5眠房较空翱省里PninbF-d-JniR.-JmR-3niM4„692r你I-OJ32,e™6.0J1T4231父修3胃2,c-L4.06田JN附-电7T”理地雷度也七!11'4251备也将星&VE1a.w-:li«2l2-2.42„S-3u4l'2u6-2.S由衣,卸虫35产2gV」力>3,1)3盲3,5]甘里容liLFiA/e"170L-4S274213--2S5七货济t'」$Q7+i»HJfl1-I2DUS-150155-220相血电杜W超的网・比I和TMJ13"—1步U|?D-™3.40平均电H£W3.437工也HIM阳H/V3NTT307325-4.4濡时件.前2rMeI-500-20ifl1J5M="HJO坏辞性5CH比出玷仃放时性僚.砧有由交卡也修好四仔善日好送用黜修，引_如一？5V3$fiF快迪菱iU-20-S5P-20-551斯梅帔他115-207i9'157/24-J97f乱57}亚裴星丽期映电同在-l爱人现国情碇1阳a工具,电劭白行车d咆动附斗堂/:胡帽砧能片疏:兑？咆子产品电勤工口，电热灯行车、但用也不及人娘质蜴隹其他研究的正极材料有：层状结构正极材料：例如三元材料（NCM和NCA）,富锂材料（层状结构中Co的位置同时包含Li，层状结构中Li的位置中Li含量不变，富锂相的母体材料为Li2MnO3）;高电压尖晶石结构正极材料：LiNi0.5Mn1.5O4具有4.7V的平台，其中锰全部为+4价，在充放电过程中不发生氧化还原反应，起到稳定晶体结构的作用。Ni全部为+2价，为材料中的电化学活性金属离子，在充放电过程中Ni2+/Ni3+和Ni3+/Ni4+的两个平台都处于4.7V左右，电压差别很小。聚阴离子类正极材料：例如磷酸锰锂，磷酸钻锂，甚至有硅酸盐，硼酸盐，硫酸盐等聚阴离子正极材料。02负极材料负极材料的选择应满足以下条件：嵌脱Li反应具有低的氧化还原电位；充放电反映过程中，电压平台稳定；可逆嵌脱锂量大，充放电过程中结构稳定型性好；环境友好，制备成本低，安全性好。目前商用化使用的锂离子电池负极材料主要分为两类：六方或菱形层状结构的人造石墨和天然改性石墨；立方尖晶石结构的Li4Ti5O12。其结构和性能见下图和下表：图2 商业化广泛使用的锂离子电池负极材料的结构

表1商业化锂离子电池负极材料及其性能Table11hepropertiesofcommercialanodeelectrodematerials中文名称石墨即钛酸锂阳化学式CLMTiQ?结构层状尖晶石空间点群P6j/mmc（或R3m）l'd-3]H晶胞参数“=力=02461nm,c=0.6708nmia=/7=90\丁=120'1或a=b=c,a=fl=y^9G）产力=c=0M59nm；a-^-y=90理论密度2.253.5报实密度/g*cr［尸1.2〜1.41.1~1.6压实密度，*疝71,5〜L81,7〜3理论容量/mA，h・gT372175实际容量/mA如g।290〜360一165电压G况Li/Li+）/V0.0—02L4〜1.6体积变化/%L2[表观化学扩散系数/cm沁7iO-io^lO-ii1尸〜完全嵌锂化合物LiC6UE5O12循环性/次500-300010000（10。90%）环保性无毒无毒安全性能好很好适用