黃玲

摘 要：鋰離子電池是高效的能量轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)設(shè)備。鋰離子電池材料對(duì)其性能有著直接的影響。現(xiàn)階段，鋰離子電池的正極材料主要有層狀的鈷酸鋰（LiCoO2）、氧化鎳鋰（LiNiO2）、錳酸鋰（LiMnO2）和磷酸鐵鋰（LiFePO4）等；負(fù)極材料主要有各種碳材料與一些非碳負(fù)極材料，如硅和鈦酸鋰（Li4Ti5O12）；電解液主要為非水系電解液；隔膜主要為聚烯烴隔膜。鋰離子電池不同構(gòu)成部分的材料，有著一定的發(fā)展、應(yīng)用歷程，對(duì)其進(jìn)行探究，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池 正極 負(fù)極 隔膜 電解液 材料

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）03（c）-0126-02

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源供需矛盾日益加劇。一些能源，如太陽能、地?zé)帷L(fēng)能等，在空間分布上不平衡，導(dǎo)致有效利用難度較大。為了解決此類問題，能源轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)設(shè)備的研究受到越來越多的關(guān)注。鋰離子電池就是能夠?qū)崿F(xiàn)能源高效轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)的設(shè)備之一，近年來鋰離子電池的研究得到廣泛開展。高功率、高容量的正負(fù)極材料是鋰離子電池發(fā)展的關(guān)鍵，探索低成本、高能量密度的鋰離子電池材料，成為了鋰離子電池推廣應(yīng)用的必由之路。

1 鋰離子電池概述

鋰離子電池由正極、負(fù)極、電解液和隔膜等部分組成。鋰離子電池正極能夠?yàn)殡姵靥峁╀囋?，主要是含鋰化合物[1]。鋰離子電池充電的時(shí)候，鋰離子會(huì)脫離正極材料，并受到內(nèi)部電場(chǎng)的影響進(jìn)入電解液，最后通過隔膜進(jìn)入到負(fù)極材料當(dāng)中。與此同時(shí)，電池的電子將脫離被氧化的正極材料，通過外電路進(jìn)入負(fù)極材料，并發(fā)生還原反應(yīng)，使得電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，進(jìn)而存儲(chǔ)于電池當(dāng)中。鋰離子電池放電的過程和充電的過程正好相反，從負(fù)極脫出的鋰離子進(jìn)入到電解液中，通過隔膜進(jìn)入正極材料，通過外電路做功，電子把存儲(chǔ)在電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能?，F(xiàn)階段，鋰離子電池的正極材料大多為含鋰的過渡金屬化合物，例如，橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰、尖晶石型的錳酸鋰和層狀的鈷酸鋰等。鋰離子電池的負(fù)極材料大多為石墨化碳材料。鋰離子電池的電解液大多為碳酸二乙酯、碳酸二甲酯等的聚合物或有機(jī)溶液。

2 鋰離子電池的電極材料

2.1 鋰離子電池正極材料

目前，鋰離子電池的正極材料包括三大類：聚合物材料、復(fù)合材料和無機(jī)材料[2]。其中，應(yīng)用最廣的是無機(jī)材料，其可以分為陰離子型材料和無機(jī)復(fù)合氧化物。復(fù)合氧化物又可以分為反尖晶石型、尖晶石型和層狀型等。具體而言，鋰離子電池的正極材料主要為層狀的鈷酸鋰、氧化鎳鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰等。

其中，層狀的鈷酸鋰是一種十分成熟的鋰離子電池正極材料。層狀的鈷酸鋰屬于六方晶系，有著層狀巖鹽結(jié)構(gòu)（α-NaFeO2）。層狀的鈷酸鋰的理論比容量為274 mAh/g，但是其實(shí)際可逆比容量?jī)H為140274 mAh/g。層狀鈷酸鋰的有著500次以上的循環(huán)壽命，3.7 V左右的工作電壓，充電和放電電壓較為平穩(wěn)，循環(huán)性能好、比能量高，適用于大電流充放電。此外，層狀的鈷酸鋰容易制備，生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，所以層狀鈷酸鋰在目前的市場(chǎng)上仍然占有較大的份額。但是，因?yàn)殁捠且环N有毒物質(zhì)，并且價(jià)格較高，抗過充電性較差，所以越來越多的替代層狀鈷酸鋰的鋰離子電池材料不斷被研發(fā)出來。

尖晶石型的錳酸鋰是有望代替層狀鈷酸鋰的鋰離子電池正極材料之一[3]。尖晶石型的錳酸鋰屬于Fd-3 m空間群，鋰原子占據(jù)1/8四面體空隙8a位置，氧原子位于晶胞32e位置，錳原子占據(jù)八面體空隙16d位置。通過共面與共邊，空的八面體與四面體相互聯(lián)結(jié)，進(jìn)而構(gòu)成了鋰離子擴(kuò)散的三維通道。鋰離子三維擴(kuò)散通道使尖晶石型的錳酸鋰有著良好的倍率性能，提高了材料的安全性。尖晶石型的錳酸鋰的實(shí)際容量是120 mAh/g，理論容量是148 mAh/g，電位平臺(tái)為4.1 V左右，可以達(dá)到500次以上的循環(huán)壽命。尖晶石型的錳酸鋰的充電曲線有兩個(gè)平臺(tái)，其放電截止電壓大于等于3.0 V。從20世紀(jì)90年代起，對(duì)尖晶石材料的研究就廣泛的開展，鋰離子在尖晶石結(jié)構(gòu)中有著較好的遷移率，通過摻雜替換能夠提高鋰離子的電化學(xué)性能。像層狀的鈷酸鋰一樣，尖晶石型的錳酸鋰和其摻雜衍生物成為了商業(yè)化的鋰離子電池正極材料。

1997年，Goodenough教授提出了橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰。之后，橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰逐漸成為了鋰離子電池正極材料研究的熱點(diǎn)之一。橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰屬于Pmnb空間群，正交晶系，是一種六方密堆積結(jié)構(gòu)。其理論比容量達(dá)170 mAh/g，工作電壓是3.4 V，有著良好的循環(huán)性，容量衰減在幾百周內(nèi)都不明顯。因?yàn)镕e元素較為豐富，所以橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰作為鋰離子電池的正極材料，成本較低。橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，是新一代鋰離子電池正極材料的理想選擇，能夠有效地滿足低成本、安全和環(huán)保等要求。但是，橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰的穩(wěn)定性與一致性較難控制，制備工藝相對(duì)復(fù)雜。

以上幾種鋰離子電池正極材料的容量較低，為了滿足高能量密度、高容量的使用需求，富鋰相正極材料的研究受到越來越多的關(guān)注。富鋰相正極材料是由層狀材料LiMO2（M=Co，F(xiàn)e等）和LiMO3（M=Ti，Mn等）構(gòu)成的固溶體。富鋰相正極材料的研究應(yīng)用為鋰離子電池的發(fā)展打開了新的空間。

2.2 鋰離子電池負(fù)極材料

負(fù)極材料是鋰離子電池儲(chǔ)存鋰的主體，使鋰離子在充放電過程中嵌入與脫出。目前，各種碳材料是已經(jīng)發(fā)展較為成熟的鋰離子電池負(fù)極材料，如焦炭、石墨化中間相碳微珠、改性石墨和天然石墨等。此外，一些非碳負(fù)極材料，如合金材料、錫基材料、硅基材料和氧化物等在近年來的應(yīng)用也越來越廣泛。

目前，硅和鈦酸鋰（Li4Ti5O12）是鋰離子電池負(fù)極材料的重點(diǎn)研究對(duì)象。硅和鈦酸鋰是一種尖晶石結(jié)構(gòu)，屬于Fd-3m空間群，能夠?yàn)殇囯x子提供三維擴(kuò)散通道。硅和鈦酸鋰能夠容納三個(gè)電子，工作平臺(tái)為1.55 V，其理論容量為175 mAh/g，其放電態(tài)的分子式是Li7Ti5O12。硅和鈦酸鋰具有較佳的循環(huán)性能，能夠避免形成固體電解質(zhì)界面膜，防止鋰枝晶生長(zhǎng)導(dǎo)致電池短路。所以在高倍率放電時(shí)，采用硅和鈦酸鋰作為負(fù)極材料的鋰離子電池有著較高的安全性。又由于硅和鈦酸鋰無污染、成本低，是一種理想的鋰離子電池負(fù)極材料。

3 鋰離子電池電解液與隔膜

電解液和隔膜是鋰離子電池的重要構(gòu)成部分。鋰離子電解液的合理選用對(duì)電池性能的影響較大。電解液具有傳輸鋰離子的作用，能夠減少鋰離子電極材料之間的副反應(yīng)。通常而言，鋰離子電解液主要包括兩大類：非水系電解液與水系電解液[4]。因?yàn)樗姆纸怆妷阂话闶?.23 V，造成較窄的水系電解液電化學(xué)窗口，所以鋰離子電池選用的電解液為非水系電解液，也就是有機(jī)電解液。非水系電解液由非水有機(jī)溶液與電解質(zhì)鋰鹽兩部分構(gòu)成?，F(xiàn)階段，常用的電解質(zhì)溶劑是EC、DEC或DMC，電解質(zhì)鋰鹽是LiPF6。非水系電解液具有較寬的電化學(xué)窗口與較穩(wěn)定的電化學(xué)性能。在石墨負(fù)極表面，EC的分解物可以形成穩(wěn)定的、致密的與有效的SEI膜。所以，非水系電解液能夠較好的滿足鋰離子電池的需求。此外，為了提高電解液的某些性能，還可以適當(dāng)加入一些功能添加劑。

鋰離子電池的隔膜能夠防止電池內(nèi)部短路，將正極和負(fù)極隔開，同時(shí)，還能夠傳輸鋰離子，絕緣電子，所以鋰離子在充放電過程中能夠在電池正負(fù)極之間快速傳輸。鋰離子電池隔膜的性能對(duì)電池的安全性能、循環(huán)性能、充放電容量和電池內(nèi)阻等有著直接的影響[5]。一般而言，鋰離子電池的隔膜越薄，就有著越高的空隙率，電池內(nèi)阻也就越小，越容易使鋰離子透過。高性能的鋰離子電池隔膜應(yīng)當(dāng)具有以下特性：有較高的離子電導(dǎo)率，有良好的孔徑與空隙率，鋰離子能夠輕易透過；電子絕緣性，物理上隔開正負(fù)極；有著良好的電化學(xué)穩(wěn)定性，耐電解液腐蝕；有著較佳的力學(xué)性能，如拉伸強(qiáng)度、穿刺強(qiáng)度等，盡可能的??；有著較好的電解液浸潤(rùn)性和較強(qiáng)的吸液保濕能力；有著較好的熱穩(wěn)定性、平整性與空間穩(wěn)定性。現(xiàn)階段，鋰離子電池隔膜常用的是聚烯烴隔膜，如單層PP，單層PE，三層PP/PE/PP復(fù)合膜等。

4 結(jié)語

綜上所述，與其他可充電電池相比，鋰離子電池具有自放電低、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作電壓高及能量密度大等優(yōu)點(diǎn)，是目前重要的新能源材料之一。鋰離子電池由正極、負(fù)極、電解液和隔膜等部分組成，各個(gè)部分的材料對(duì)鋰離子電池性能有著重要的影響。近年來，鋰離子電池正負(fù)極材料、電解液和隔膜的開發(fā)研究得到了廣泛開展，并且取得了較大的進(jìn)展。例如，在正極材料研究方面，層狀的鈷酸鋰是一種十分成熟的鋰離子電池正極材料，但其有著一些缺陷，尖晶石型的錳酸鋰是有望代替層狀鈷酸鋰的鋰離子電池正極材料之一，而富鋰相正極材料是能夠滿足更高的能量密度、高容量的使用需求的材料。

參考文獻(xiàn)

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