鋰離子電池正極材料摻雜稀土元素研究進(jìn)展

熊亞

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;正極材料;稀土元素;摻雜改性

經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展導(dǎo)致能源危機(jī)四起和環(huán)境不斷惡化，傳統(tǒng)能源已經(jīng)無法滿足人類的可持續(xù)發(fā)展需求。化學(xué)電源作為新能源的代表，因高能量轉(zhuǎn)化效率、節(jié)能環(huán)保及便捷通用等優(yōu)勢，在社會發(fā)展和人們的日常生活中得到了廣泛應(yīng)用。其中，鋰離子電池是目前綜合性能最優(yōu)異、應(yīng)用最廣泛、發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮幕瘜W(xué)電源之一，也為電動汽車（EV）帶來了巨大的動力能源與發(fā)展希望。隨著新能源汽車的快速發(fā)展，行業(yè)對電池性能的要求也不斷提高，正極材料是決定電池性能的關(guān)鍵因素，其性能直接影響整個系統(tǒng)的性能。因此，需要研究出可進(jìn)一步提高正極材料的能量密度、循環(huán)性能、倍率性能以及安全性的方法，解決鋰離子電池面臨的問題與挑戰(zhàn)，同時緩解能源危機(jī)。

目前，商業(yè)化的鋰離子電池正極材料具有各自的優(yōu)勢，但也存在各自的問題，都有不同的適用領(lǐng)域。為了克服各類電池的發(fā)展障礙，提高正極材料的性能，目前研究者通過摻雜、表面修飾和涂層對正極材料進(jìn)行改性研究，以提高材料的電化學(xué)性能。稀土元素在地殼中含量豐富，具有光電效應(yīng)優(yōu)異、電子電荷高、離子半徑大以及電催化性能好等特點(diǎn)，可以與許多材料形成性能較強(qiáng)的復(fù)合材料，所以采用稀土摻雜正極材料在正極材料改性中具有研究意義與價值。本研究綜述了近年來正極材料摻雜稀土的研究進(jìn)展，介紹了稀土摻雜的改性技術(shù)和成果。

1 稀土摻雜正極材料

1.1 稀土摻雜橄欖石型正極材料

正極材料LiMPO₄（M=Fe、Mn、Co、Ni）具有橄欖石型結(jié)構(gòu)，屬Pbnm空間群，正交晶系，磷原子占據(jù)PO₄四面體4c，M離子與鋰離子分別占據(jù)八面體4c、4a。PO₄四面體由于P—O較強(qiáng)的鍵能，給橄欖石型結(jié)構(gòu)帶來了較好的穩(wěn)定性。

1.1.1 稀土摻雜LiFePO₄

LiFePO4就是橄欖石型正極材料的主要代表，具有高電壓、大容量、低成本、良好的循環(huán)性與環(huán)境友好等特點(diǎn)。但存在電子導(dǎo)電性較弱、鋰離子擴(kuò)散率較差、振實密度較小、能量密度較低等不足，極大地限制了其在高倍率鋰離子電池中的實際應(yīng)用。稀土元素與氧原子的鍵能較大，晶格體積減小可有效增大材料比表面積，進(jìn)而帶來更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。