【《锂离子电池正极材料的发展研究文献综述》1400字】

锂离子电池正极材料的发展研究文献综述通过对锂离子电池的工作原理的了解，可以知道电池中的锂离子全部来源于正极材料中，因此正极材料的性能直接影响了整个电池的性能，并且正极材料在电池中的成本达到30%以上。目前对于正极材料的研究致力于如何在降低成本的同时提高能量密度。目前，根据晶体结构类型可将常见的商用锂离子电池正极材料分为三类：六方层状结构的钴酸锂（LiCoO2）；尖晶石结构的锰酸锂（LiMn2O4）；以及橄榄石结构的磷酸铁锂（LiFePO4）。钴酸锂最早在1981由Goodenough研制出来，之后由索尼公司成功实现商业化，其晶体结构如图1.2所示。[15]其中，Co和Li分别位于由氧堆积形成的八面体位置中，呈二维（2D）结构。钴酸锂正极平均工作电压较高（3.7V）、性能稳定、易加工、电导率高且有高的理论比容量（274mAh/g），所以至今仍被用于大多数商用锂离子电池中。但它也有很多缺点，比如钴元素的成本高且毒性大、钴酸锂正极的热稳定性较差。低热稳定性是指将钴酸锂正极被加热到某一温度时，会放热释放氧气，在电池内部发生化学反应，从而爆发火焰，造成安全隐患。钴酸锂正极在充电过程中，当电压超过4.2V时，超过50%的锂离子会从晶格中提取出来，导致晶格畸变，由六方相转变为单斜相，这种变化恶化了循环性能。研究发现使用金属元素（Mn，Al，Fe，Cr）掺杂和金属氧化物(Al2O3，B2O3，TiO2，ZrO2)包覆策略可改善钴酸狸的性能。[16-19]图1.2LiCoO2晶体结构示意图[15]Figure1.2SchematicdiagramofLiCoO2crystalstructure[15]尖晶石型锰酸锂（LiMn2O4）正极材料是由Thackeray等人于1983年提出，其晶体结构示意图见图1.3。[12]其中O为密心立方紧密堆积，Li位于四面体8a位置，而Mn位于八面体16d位置，因此形成了一种三维（3D）结构，有利于Li+的扩散。得益于锰图1.3LiMn2O4晶体结构示意图[15]Figure1.3SchematicdiagramofLiMn2O4crystalstructure[15]的丰富性、成本低、安全性高且对环境友好，该正极材料可以广泛应用于锂离子电池当中。其缺点是理论容量不高（148mAh/g），并且在深度充放电过程中会发生Jahn-Teller效应，使得材料中的Mn在电解液中缓慢溶解，进而引起晶格畸变，从而导致电池性能迅速衰减。为改善其电化学性能，研究者们通过制备纳米级的正极材料，以此可减少锂离子扩散距离并使得电极与电解质之间的接触面变大来提供更高的倍率性能。[20]另外，通过表面涂覆ZnO，金属掺杂可以抑制Mn的溶解，形成稳定的正极SEI层。[21-22]橄榄石型结构的铁锂材料（LiFeO4）是一种聚阴离子化合物，在1997年由Goodenough小组首次提出。[23]磷酸铁锂以其热稳定性和长循环寿命而闻名，此外它的原料丰富（主要金属元素是Fe）、成本低，被称为理想的锂离子电池正极材料，其结构示意图见图1.4。[24]在磷酸铁锂中，Li+和Fe2+分别位氧八面体的中心位置，P则处于氧四面体位置，呈现一种稍微扭曲的六方紧密堆积方式排列。磷酸铁锂正极的缺点在于其电子和离子电导率较差且高倍率放电性能差，限制了它的进一步应用。基于上述问题，主要采用表面碳包覆、掺杂、材料纳米化来改善其电化学性能。如Yamada等人认为减小粒径是克服扩散限制问题的有效途径，因此他们在550oC下将LiFePO4烧结成小颗粒，测得其在室温下的容量达到了理论容量的95%。[25]图1.4LiFePO4晶体结构示意图[24]Figure1.4SchematicdiagramofLiFePO4crystalstructure[24]参考文献Kim,G.Y.ChallengesforRechargeableLiBatteries[J].AmericanChemicalSociety,2009,22(3),587-603.Simon,P.,andY.Gogotsi.Materialsforelectrochemicalcapacitors[J].NatureMaterials,2008,7(11),845-854.Liu,C.,etal.Advancedmaterialsforenergystorage[J].AdvMater,2010,22(8),28-62.Kim,S.,etal.ElectrodeMaterialsforRechargeableSodium-IonBatteries:PotentialAlternativestoCurrentLithium-IonBatteries[J].AdvancedEnergyMaterials,2012,2(7).Scrosati,B.Recentadvancesinlithiumionbatterymaterials[J].ElectrochimicaActa,2000,45(15-16),2461-2466.WHITTINGHAM,M.S.ElectricalEnergyStorageandIntercalationChemistry[J].Science,1976,192(4244),1126-1127.Deng,Da.Li-ionbatteries:basics,progress,andchallenges[J].EnergyScience&Engineering,2015,3(5),385-418.Xu,Wu,etal.Lithiummetalanodesforrechargeablebatteries[J].EnergyEnviron.Sci.,2014,7(2),513-537.Besenhard,J.O.,andG.Eichinger.Highenergydensitylithiumcells:PartI.Electrolytesandanodes[J].JournalofElectroanalyticalChemistry,1976,68(1),1-18.Eichinger,G.,andJ.O.Besenhard.Highenergydensitylithiumcells:PartII.Cathodesandcompletecells[J].JournalofElectroanalyticalChemistry&InterfacialElectrochemistry,1976,72(1),1-31.K.Mizushima,P.C.Jones,P.J.Wiseman,J.B.Goodenough.LixCoO2(0<x⩽1):Anewcathodematerialforbatteriesofhighenergydensity[J].SolidStateIonics,1981,3/4,171-174.Thackeray,M.M.,etal.Lithiuminsertionintomanganesespinels[J].MaterialsResearchBulletin,1983,18(4)