鋰離子電池的關鍵材料研究

摘要：鋰離子電池的發展與其正極材料、負極材料、電解質材料以及外部保護板等材料的發展息息相關。本文通過對這些鋰離子電池的關鍵材料及它們的發展狀況進行研究和分析，為鋰離子電池的改良和發展提供支撐。

關鍵詞：鋰離子電池；正極材料；負極材料；研究

1 引言

鋰離子電池是二十世紀初期才開始在市場上廣泛使用的，與其他電池相比，鋰離子電池具有體積小、重量輕、能量高的優點，而且它能快速充電，對溫度的適應范圍寬，對環境無污染，目前已經成為電子產品市場中必不可少的產品，所以對鋰離子電池的關鍵材料的研究是很有必要的。

2 鋰離子電池的關鍵材料研究

2.1 鋰離子電池的工作原理簡介

鋰離子電池的工作原理：Li+在電池正負極之間的進行嵌入和脫嵌來完成電池充放電反應。鋰離子電池結構包括正極、負極、隔膜、電解質、正負極耳、PCM、PTC、注塑件、標簽以及其它材料等。下面對其中的關鍵材料進行詳細的分析。

2.2 鋰離子電池的正極材料

鋰離子電池的正極材料有鈷酸鋰（LiCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）和磷鐵酸鋰（LiFePO4）等。其中錳酸鋰（LiMn2O4）以其價格低、制造容易、放電電壓高、污染少和安全性好被廣泛應用，但其有一個明顯缺點，即是其容量會在充放電循環中逐漸衰減，在高溫環境下尤為顯著，極大的影響電池的壽命。經過研究該材料是尖晶石結構，是Fd-3M空間群，其中錳處于八面體的間隙位置，與氧共同構成了一個對鋰離子脫嵌和嵌入有利的四面體和八面體共面的結構，為了改變其容量隨循環次數降低的缺陷，用Co、Al、Ni等材料對其中的陽極鋰離子進行置換，形成新的尖晶石材料，以提高鋰離子電池的壽命。

而另一種磷鐵酸鋰（LiFePO4）是磷酸鹽聚陰鋰離子化合物，同樣具有價格低，資源豐富的優點，同時還具有熱穩定性高、循環壽命長等優點，它是屬于正交晶系結構，p占據四面體空隙，Li占據八面體空隙，形成一個具有二維鋰離子嵌入和脫嵌的通道晶體結構，其充放電效果極好[1]，但是該材料也有一定的缺點，那就是其導電性較差，振實密度較低，要進行推廣還需要對材料性能進行改良研究。

2.3 鋰離子電池的負極材料

鋰離子電池的負極材料一般是有負極活性物質碳材料或非碳材料、粘合劑和添加劑等混合涂抹在銅箔兩側，經干燥、滾壓后制作。研究負極材料的目的是通過材料的改進提高鋰離子電池的比容量，作為好的負極材料需要擁有以下特點：電化當量較低；鋰鋰離子的脫嵌容易、擴散率高且可逆；導電率較好；具有很好的熱穩定性和電解質相容性。負極材料可以分為碳素負極材料和非碳素負極材料，碳素負極材料又分為硬碳材料和軟碳材料，軟碳材料是指易石墨化碳，即在2500℃以上的情況下石墨化的碳，其結晶度低，尺寸小，晶面間距大，與電解液相容性好，但是充放電可逆性差，輸出電壓低；硬碳是指難石墨化碳，即2500℃高溫也難以石墨化，其儲鋰量大，但是充放電效率很低；非碳材料包括鋰過度金屬氮化物和過渡金屬氧化物，非碳的導電性、化學穩定性及儲鋰能力都很好，其他特性因材料的不同而性質各異，但總體來說其造價較高，制造困難，僅在一些特殊的地方使用。目前的負極材料主要使用以石墨為代表的碳極，雖然其容量不是很大，壽命也相對較小，但是沒有其他高容量的材料出現，所以鋰離子電池的負極材料開發很有必要。

2.4 鋰離子電池的電解質材料

鋰離子電池電解質的作用主要是在電池正負極之間形成鋰離子導電通道。理想的電解質應該導電性好，抗氧化、耐高溫、無毒、價格合理。目前常用的電解質有聚合物電解質和無機固體電解質兩種，其中聚合物電解質的電化學和化學穩定性都較好，介電常數和粘度系數較低，但是由于其導電依賴于單雙鍵的交替，所以導電性稍差，通常盡量用添加劑來改良其性能[2]；無機固體電解質材料具有更好的比容量和循環壽命，但造價較高，主要用于微電子工業。

2.5 鋰離子電池的保護板及其它材料

鋰離子電池需要有專門的保護板進行保護，否則不僅會降低鋰離子電池的壽命，嚴重時還會引起爆炸或起火。鋰離子電池的保護板的作用是過充電壓保護、過放電壓保護、過流保護、短路保護，其制作材料根據電池類型的不同各有不同。鋰離子電池的標簽通常在鋰離子電池的外殼上，通常采用由字母及數字組成，表明電池的種類，以便于使用者識別。鋰離子電池根據作用和類型的不同還有不同的注塑件及標簽等材料，在這里就不一一敘述了。

3 結束語

本文通過對鋰離子電池的工作原理的講述，說明了鋰離子電池的材料及其關鍵作用，然后分別對鋰離子電池的正極材料、負極材料和電解質材料進行了仔細的分析和研究，使我們理解了鋰離子電池的關鍵材料的作用和進一步研究的必要性，最后對鋰離子電池的保護板等外部材料及其關鍵作用進行了分析，說明外部材料的必要性，希望可以為鋰離子電池的使用者和制造者提供借鑒。

參考文獻

[1]施志聰，楊勇.聚陰鋰離子型鋰離子電池正極材料研究進展[J].化學進展，2005，17（4）：604-613.

[2]卜源，楊清河，邱瑋麗，等.新型鋰離子電池電解液阻燃添加劑初探[A].第26屆全國化學與物理電源學術年會論文集[C].廈門：中國電子學會化學與物理電源技術分會和中國化學與物理電源行業協會，2004.