鋰離子二次電池中材料的應用

江　雄（潮州正龍電池工業有限公司，廣東　潮州　515644）

鋰離子二次電池中材料的應用

江雄
（潮州正龍電池工業有限公司，廣東潮州515644）

摘要：作為一種高性能的電能存儲裝置，鋰離子電池在各類移動電子設備中的應用愈來愈廣泛。本文首先介紹了鋰離子電池工作原理，然后具體探討了鋰離子二次電池中材料的應用，以期為相關技術與研究人員提供參考。

關鍵詞：鋰電子二次電池；材料；應用

鋰離子二次電池通常包含隔膜、正極、負極及有機電解液等基本材料。多種新型材料的優化組合，使得鋰電子電池逐步成為手機、手提式電腦等微型移動電子設備的主要電能存儲設備。此類新型材料的有效應用大大改進了鋰離子電池的性能。因此，加強有關鋰離子二次電池中材料的應用探究，對于改善鋰離子電池材料的應用質量具有重要的理論和現實意義。

一、鋰離子電池工作原理

一般鋰離子二次電池在充放電過程中進行的電化學反應表達式為：

（－）Cn/LiClO4－EC＋DEC/LiMO2（＋）

正極：Li1－xMO2＋xLi＋＋xe－LiMO

2

負極：LixCnnC＋xLi＋＋xe－電池反應：

公式中M可表示Ni、Co、V、Mn等第三周期過渡金屬元素，正極材料一各類金屬鋰氧化合物為主，負極材料則通常為石墨等碳基層狀材料。

鋰離子嵌入式金屬氧化物與層狀石墨等正負極材料的應用，使鋰離子電池在商業應用中得到了廣泛推廣。此種電池可看作為一類正負電極間的Li+濃差電池。在充電過程中，正極金屬氧化物材料中生成的Li+會嵌入至負極石墨片層中，這時負極具有較高的Li+濃度，而正極Li+濃度相對較低；在同一時間電子會利用外電路由正極集流體轉換至負極集流體，以確保電池體系的整體電荷平衡。在放電過程中會出現與充電相反的電化學反應，負極石墨片層中生成的Li+會嵌入至正極金屬氧化物材料中，這是正極具有較高的Li+濃度，而負極Li+濃度相對較低。在正常使用條件下，充放電時正負極間的Li+會重復發生嵌入脫出反應，但僅會造成晶胞體積的細小變化，且不會影響材料結構，所以鋰離子二次電池具有十分優良的循環性能。

二、鋰離子二次電池中材料的應用

1正極材料

（1）磷酸鹽系正極材料LiMPO4

LiMPO4是一類具有較高的循環穩定性和優良安全性能的鋰離子電池正極材料，其中M主要為V、Mn和Fe等元素。①磷酸釩鋰：相比磷酸亞鐵鋰，包含單斜結構的磷酸釩鋰，其不但安全性能好，且Li+擴散系數、能量密度及放電電壓更高。磷酸釩鋰包含單斜與斜方兩種Nasicon晶系結構。而單斜晶系Li+嵌脫性能更高，所以其電性能要比斜方晶系更好。因磷酸釩鋰屬于三維結構，在其空穴內的Li+間隔相對較遠，造成材料的電子導電率僅為10-7S?m-1，要遠低于LiMn2O4和LiCoO2，所以該材料的高倍率充放電性能受到較多限制。當前研究重點主要集中于利用改性材料來改善材料的導電性能，提升磷酸釩鋰的高倍率充放電能力，以滿足鋰離子電池發展的需要。如某技術單位對摻入Ti后的磷酸釩鋰進行研究返現，加入適量的Ti可大幅度提升磷酸釩鋰的離子導電性能，且不會減小材料的能量密度。②硝酸亞鐵鋰，其屬于一種橄欖石結構，鐵離子在Pmnb正交空間群的Z字鏈上，鋰離子則位于直線鏈上，各種鋰離子均可嵌脫至層狀結構的FePO4上，其比容量可達到170mAh/g，與其他幾類正極材料比具有熱穩定性高、無污染、安全、成本低、資源豐富等優點，因此在鋰離子動力電池中應用極為廣泛。但由于其能量密度和Li+擴散系數較低，在一定程度上影響了該類電池的大批量生產應用。

（2）鎳錳系材料

與錳系材料相比，鎳錳系材料具有更高的容量和充放電電壓，且其倍率充放電性能與高溫性能相對較好，但因其電解液匹配存在一定的限制而在很大程度上影響了其電壓容量的發揮。當前此種材料的相關研究成果也比較顯著。如層狀結構的LiNi0.5Mn0.5O2，此種材料屬于a-NaFeO2結構，其在較大電壓狀態下充放電仍可保持較高的循環性和可逆容量，且比容量能達到180mAh/g。

2　負極材料

（1）磷基材料，在充放電電流密度為100Ah/g、充放電截止電壓區間為0.55V～2V條件下，ZnP2/C納米復合材料容量可保持在380mAh/g，可重復循環100次；NiP2用于全固態電池制備，容量可達到1000mAh/g，重復6圈后容量降低到800mAh/g，后階段容量基本固定在600mAh/g左右。

（2）硅基材料，此種材料的Li嵌入容量較高，可達到4200mAh/g，但材料循環性能相對受限，產業化應用仍處于探索階段。可采用摻加非金屬與金屬的合金化方式改善硅基材料的電化學性能。摻加非金屬方面，研究發現利用真空沉積方式可加工制成摻加P、B的硅基負極材料，摻入1.02%P的在循環300次后容量可固定在1400mAh/g左右，摻入0.1%B的在循環300次后容量可固定在1000mAh/g左右。在摻加金屬方面硅鋁合金薄膜材料具有良好的改良性能，其在0.5℃條件下進行300次循環容量可保持高于80%，具備更優越的電化學性能。

（3）氧化物負極材料，過渡金屬氧化物負極材料進行Li+嵌脫時，可發生轉化反應，且同時存在M-O鍵的開裂。MoO2、V2O5、TiO2等過渡金屬氧化物在一定熱力學條件下，正常溫度范圍內便能與Li發生反應，所以過渡金屬氧化物Li+嵌脫性能較好，材料倍率性能優越，可提高充放電效率。

結語

高性能正負極材料的應用質量將直接關系著鋰離子二次電池的使用壽命及效益，因此，相關技術與研究人員應加強有關鋰離子二次電池中材料的應用研究，總結鋰離子二次電池材料應用要點及關鍵材料改性措施，以逐步提升鋰電池材料應用水平。

參考文獻

[1]付文莉.鋰離子電池電極材料的研究進展[J].電源技術，2011，05（35）：57-58.

[2]李萍，李琪，徐宏志，喬慶東，梁莉.鋰離子二次電池正極材料錳酸鋰的研究進展[J].無機鹽工業，2012，06（10）：61-62.

[3]馬榮駿.鋰離子電池及其正極材料的研究進展[J].有色金屬，2012，13（14）：74-75.

中圖分類號：TG146

文獻標識碼：A

作者簡介：江雄（1969-），男，漢，廣東潮州人，學歷：大專，工作單位：潮州正龍電池工業有限公司，技術工程師。