锂离子电池正极材料掺杂稀土元素研究进展

熊亚

关键词：锂离子电池;正极材料;稀土元素;掺杂改性

经济社会的高速发展导致能源危机四起和环境不断恶化，传统能源已经无法满足人类的可持续发展需求。化学电源作为新能源的代表，因高能量转化效率、节能环保及便捷通用等优势，在社会发展和人们的日常生活中得到了广泛应用。其中，锂离子电池是目前综合性能最优异、应用最广泛、发展潜力最大的化学电源之一，也为电动汽车（EV）带来了巨大的动力能源与发展希望。随着新能源汽车的快速发展，行业对电池性能的要求也不断提高，正极材料是决定电池性能的关键因素，其性能直接影响整个系统的性能。因此，需要研究出可进一步提高正极材料的能量密度、循环性能、倍率性能以及安全性的方法，解决锂离子电池面临的问题与挑战，同时缓解能源危机。

目前，商业化的锂离子电池正极材料具有各自的优势，但也存在各自的问题，都有不同的适用领域。为了克服各类电池的发展障碍，提高正极材料的性能，目前研究者通过掺杂、表面修饰和涂层对正极材料进行改性研究，以提高材料的电化学性能。稀土元素在地壳中含量丰富，具有光电效应优异、电子电荷高、离子半径大以及电催化性能好等特点，可以与许多材料形成性能较强的复合材料，所以采用稀土掺杂正极材料在正极材料改性中具有研究意义与价值。本研究综述了近年来正极材料掺杂稀土的研究进展，介绍了稀土掺杂的改性技术和成果。

1 稀土摻杂正极材料

1.1 稀土掺杂橄榄石型正极材料

正极材料LiMPO₄（M=Fe、Mn、Co、Ni）具有橄榄石型结构，属Pbnm空间群，正交晶系，磷原子占据PO₄四面体4c，M离子与锂离子分别占据八面体4c、4a。PO₄四面体由于P—O较强的键能，给橄榄石型结构带来了较好的稳定性。

1.1.1 稀土掺杂LiFePO₄

LiFePO4就是橄榄石型正极材料的主要代表，具有高电压、大容量、低成本、良好的循环性与环境友好等特点。但存在电子导电性较弱、锂离子扩散率较差、振实密度较小、能量密度较低等不足，极大地限制了其在高倍率锂离子电池中的实际应用。稀土元素与氧原子的键能较大，晶格体积减小可有效增大材料比表面积，进而带来更稳定的结构。