鋰離子電池正極材料摻雜稀土元素研究進展

熊亞

關鍵詞：鋰離子電池;正極材料;稀土元素;摻雜改性

經濟社會的高速發展導致能源危機四起和環境不斷惡化，傳統能源已經無法滿足人類的可持續發展需求。化學電源作為新能源的代表，因高能量轉化效率、節能環保及便捷通用等優勢，在社會發展和人們的日常生活中得到了廣泛應用。其中，鋰離子電池是目前綜合性能最優異、應用最廣泛、發展潛力最大的化學電源之一，也為電動汽車（EV）帶來了巨大的動力能源與發展希望。隨著新能源汽車的快速發展，行業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鍵因素，其性能直接影響整個系統的性能。因此，需要研究出可進一步提高正極材料的能量密度、循環性能、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，同時緩解能源危機。

目前，商業化的鋰離子電池正極材料具有各自的優勢，但也存在各自的問題，都有不同的適用領域。為了克服各類電池的發展障礙，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行改性研究，以提高材料的電化學性能。稀土元素在地殼中含量豐富，具有光電效應優異、電子電荷高、離子半徑大以及電催化性能好等特點，可以與許多材料形成性能較強的復合材料，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展，介紹了稀土摻雜的改性技術和成果。

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）具有橄欖石型結構，屬Pbnm空間群，正交晶系，磷原子占據PO₄四面體4c，M離子與鋰離子分別占據八面體4c、4a。PO₄四面體由于P—O較強的鍵能，給橄欖石型結構帶來了較好的穩定性。

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、良好的循環性與環境友好等特點。但存在電子導電性較弱、鋰離子擴散率較差、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，進而帶來更穩定的結構。