锂离子二次电池中材料的应用

江　雄（潮州正龙电池工业有限公司，广东　潮州　515644）

锂离子二次电池中材料的应用

江雄
（潮州正龙电池工业有限公司，广东潮州515644）

摘要：作为一种高性能的电能存储装置，锂离子电池在各类移动电子设备中的应用愈来愈广泛。本文首先介绍了锂离子电池工作原理，然后具体探讨了锂离子二次电池中材料的应用，以期为相关技术与研究人员提供参考。

关键词：锂电子二次电池；材料；应用

锂离子二次电池通常包含隔膜、正极、负极及有机电解液等基本材料。多种新型材料的优化组合，使得锂电子电池逐步成为手机、手提式电脑等微型移动电子设备的主要电能存储设备。此类新型材料的有效应用大大改进了锂离子电池的性能。因此，加强有关锂离子二次电池中材料的应用探究，对于改善锂离子电池材料的应用质量具有重要的理论和现实意义。

一、锂离子电池工作原理

一般锂离子二次电池在充放电过程中进行的电化学反应表达式为：

（－）Cn/LiClO4－EC＋DEC/LiMO2（＋）

正极：Li1－xMO2＋xLi＋＋xe－LiMO

2

负极：LixCnnC＋xLi＋＋xe－电池反应：

公式中M可表示Ni、Co、V、Mn等第三周期过渡金属元素，正极材料一各类金属锂氧化合物为主，负极材料则通常为石墨等碳基层状材料。

锂离子嵌入式金属氧化物与层状石墨等正负极材料的应用，使锂离子电池在商业应用中得到了广泛推广。此种电池可看作为一类正负电极间的Li+浓差电池。在充电过程中，正极金属氧化物材料中生成的Li+会嵌入至负极石墨片层中，这时负极具有较高的Li+浓度，而正极Li+浓度相对较低；在同一时间电子会利用外电路由正极集流体转换至负极集流体，以确保电池体系的整体电荷平衡。在放电过程中会出现与充电相反的电化学反应，负极石墨片层中生成的Li+会嵌入至正极金属氧化物材料中，这是正极具有较高的Li+浓度，而负极Li+浓度相对较低。在正常使用条件下，充放电时正负极间的Li+会重复发生嵌入脱出反应，但仅会造成晶胞体积的细小变化，且不会影响材料结构，所以锂离子二次电池具有十分优良的循环性能。

二、锂离子二次电池中材料的应用

1正极材料

（1）磷酸盐系正极材料LiMPO4

LiMPO4是一类具有较高的循环稳定性和优良安全性能的锂离子电池正极材料，其中M主要为V、Mn和Fe等元素。①磷酸钒锂：相比磷酸亚铁锂，包含单斜结构的磷酸钒锂，其不但安全性能好，且Li+扩散系数、能量密度及放电电压更高。磷酸钒锂包含单斜与斜方两种Nasicon晶系结构。而单斜晶系Li+嵌脱性能更高，所以其电性能要比斜方晶系更好。因磷酸钒锂属于三维结构，在其空穴内的Li+间隔相对较远，造成材料的电子导电率仅为10-7S•m-1，要远低于LiMn2O4和LiCoO2，所以该材料的高倍率充放电性能受到较多限制。当前研究重点主要集中于利用改性材料来改善材料的导电性能，提升磷酸钒锂的高倍率充放电能力，以满足锂离子电池发展的需要。如某技术单位对掺入Ti后的磷酸钒锂进行研究返现，加入适量的Ti可大幅度提升磷酸钒锂的离子导电性能，且不会减小材料的能量密度。②硝酸亚铁锂，其属于一种橄榄石结构，铁离子在Pmnb正交空间群的Z字链上，锂离子则位于直线链上，各种锂离子均可嵌脱至层状结构的FePO4上，其比容量可达到170mAh/g，与其他几类正极材料比具有热稳定性高、无污染、安全、成本低、资源丰富等优点，因此在锂离子动力电池中应用极为广泛。但由于其能量密度和Li+扩散系数较低，在一定程度上影响了该类电池的大批量生产应用。

（2）镍锰系材料

与锰系材料相比，镍锰系材料具有更高的容量和充放电电压，且其倍率充放电性能与高温性能相对较好，但因其电解液匹配存在一定的限制而在很大程度上影响了其电压容量的发挥。当前此种材料的相关研究成果也比较显著。如层状结构的LiNi0.5Mn0.5O2，此种材料属于a-NaFeO2结构，其在较大电压状态下充放电仍可保持较高的循环性和可逆容量，且比容量能达到180mAh/g。

2　负极材料

（1）磷基材料，在充放电电流密度为100Ah/g、充放电截止电压区间为0.55V～2V条件下，ZnP2/C纳米复合材料容量可保持在380mAh/g，可重复循环100次；NiP2用于全固态电池制备，容量可达到1000mAh/g，重复6圈后容量降低到800mAh/g，后阶段容量基本固定在600mAh/g左右。

（2）硅基材料，此种材料的Li嵌入容量较高，可达到4200mAh/g，但材料循环性能相对受限，产业化应用仍处于探索阶段。可采用掺加非金属与金属的合金化方式改善硅基材料的电化学性能。掺加非金属方面，研究发现利用真空沉积方式可加工制成掺加P、B的硅基负极材料，掺入1.02%P的在循环300次后容量可固定在1400mAh/g左右，掺入0.1%B的在循环300次后容量可固定在1000mAh/g左右。在掺加金属方面硅铝合金薄膜材料具有良好的改良性能，其在0.5℃条件下进行300次循环容量可保持高于80%，具备更优越的电化学性能。

（3）氧化物负极材料，过渡金属氧化物负极材料进行Li+嵌脱时，可发生转化反应，且同时存在M-O键的开裂。MoO2、V2O5、TiO2等过渡金属氧化物在一定热力学条件下，正常温度范围内便能与Li发生反应，所以过渡金属氧化物Li+嵌脱性能较好，材料倍率性能优越，可提高充放电效率。

结语

高性能正负极材料的应用质量将直接关系着锂离子二次电池的使用寿命及效益，因此，相关技术与研究人员应加强有关锂离子二次电池中材料的应用研究，总结锂离子二次电池材料应用要点及关键材料改性措施，以逐步提升锂电池材料应用水平。

参考文献

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[2]李萍，李琪，徐宏志，乔庆东，梁莉.锂离子二次电池正极材料锰酸锂的研究进展[J].无机盐工业，2012，06（10）：61-62.

[3]马荣骏.锂离子电池及其正极材料的研究进展[J].有色金属，2012，13（14）：74-75.

中图分类号：TG146

文献标识码：A

作者简介：江雄（1969-），男，汉，广东潮州人，学历：大专，工作单位：潮州正龙电池工业有限公司，技术工程师。