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        锂电池几种正极材料的优缺点

        发布日期: 2018-11-09

        锂离子电池的性能主要取决于所用电池内部材料的结构和性能。这些电池内部材料包括负极材料、电解质、隔膜和正极材料等。其中正、负极材料的选择和质量直接决定锂离子电池的性能与价格。因此廉价、高性能的正、负极材料的研究一直是锂离子电池行业发展的重点。负极材料一般选用碳材料,目前的发展比较成熟。而正极材料的开发已经成为制约锂离子电池性能进一步提高、价格进一步降低的重要因素。在目前的商业化生产的锂离子电池中,正极材料的成本大约占整个电池成本的40%左右,正极材料价格的降低直接决定着锂离子电池价格的降低。对锂离子动力电池尤其如此。比如一块手机用的小型锂离子电池大约只需要5克左右的正极材料,而驱动一辆公共汽车用的锂离子动力电池可能需要高达500千克的正极材料。 

            

        衡量锂离子电池正极材料的好坏,大致可以从以下几个方面进行评估:


        (1)正极材料应有较高的氧化还原电位,从而使电池有较高的输出电压;

        (2)锂离子能够在正极材料中大量的可逆地嵌入和脱嵌,以使电池有高的容量;

        (3)在锂离子嵌入/脱嵌过程中,正极材料的结构应尽可能不发生变化或小发生变化,以保证电池良好的循环性能;

        (4)正极的氧化还原电位在锂离子的嵌入/脱嵌过程中变化应尽可能小,使电池的电压不会发生显著变化,以保证电池平稳地充电和放电;

        (5)正极材料应有较高的电导率,能使电池大电流地充电和放电;

        (6)正极不与电解质等发生化学反应;

        (7)锂离子在电极材料中应有较大的扩散系数,便于电池快速充电和放电;

        (8)价格便宜,对环境无污染。


        锂离子电池正极材料一般都是锂的氧化物。研究得比较多的有LiCoO2,LiNiO2,LiMn2O4,LiFePO4和钒的氧化物等。导电聚合物正极材料也引起了人们的极大兴趣。


        1、LiCoO2

            

        在目前商业化的锂离子电池中基本上选用层状结构的LiCoO2作为正极材料。其理论容量为274mAh/g,实际容量为140mAh/g左右,也有报道实际容量已达155mAh/g。该正极材料的主要优点为:工作电压较高(平均工作电压为3.7V)、充放电电压平稳,适合大电流充放电,比能量高、循环性能好,电导率高,生产工艺简单、容易制备等。主要缺点为:价格昂贵,抗过充电性较差,循环性能有待进一步提高。


        2、LiNiO2

            

        用于锂离子电池正极材料的LiNiO2具有与LiCoO2类似的层状结构。其理论容量为274mAh/g,实际容量已达190mAh/g~210mAh/g。工作电压范围为2.5~4.2V。该正极材料的主要优点为:自放电率低,无污染,与多种电解质有着良好的相容性,与LiCoO2相比价格便宜等。但LiNiO2具有致命的缺点:LiNiO2的制备条件非常苛刻,这给LiNiO2的商业化生产带来相当大的困难;LiNiO2的热稳定性差,在同等条件下与LiCoO2和LiMn2O4正极材料相比,LiNiO2的热分解温度最低(200℃左右),且放热量最多,这对电池带来很大的安全隐患;LiNiO2在充放电过程中容易发生结构变化,使电池的循环性能变差。这些缺点使得LiNiO2作为锂离子电池的正极材料还有一段相当的路要走。


        3、LiMn2O4

            

        用于锂离子电池正极材料的LiMn2O4具有尖晶石结构。其理论容量为148 mAh/g,实际容量为90~120 mAh/g。工作电压范围为3~4V。该正极材料的主要优点为:锰资源丰富、价格便宜,安全性高,比较容易制备。缺点是理论容量不高;材料在电解质中会缓慢溶解,即与电解质的相容性不太好;在深度充放电的过程中,材料容易发生晶格崎变,造成电池容量迅速衰减,特别是在较高温度下使用时更是如此。为了克服以上缺点,近年新发展起来了一种层状结构的三价锰氧化物LiMnO2。该正极材料的理论容量为286 mAh/g,实际容量为已达200 mAh/g左右。工作电压范围为3~4.5V。虽然与尖晶石结构的LiMn2O4相比,LiMnO2在理论容量和实际容量两个方面都有较大幅度的提高,但仍然存在充放电过程中结构不稳定性问题。在充放电过程中晶体结构在层状结构与尖晶石结构之间反复变化,从而引起电极体积的反复膨胀和收缩,导致电池循环性能变坏。而且LiMnO2也存在较高工作温度下的溶解问题。解决这些问题的办法是对LiMnO2进行掺杂和表面修饰。目前已经取得可喜进展。


        4、LiFePO4


        该材料具有橄榄石晶体结构,是近年来研究的热门锂离子电池正极材料之一。其理论容量为170 mAh/g,在没有掺杂改性时其实际容量已高达110 mAh/g。通过对LiFePO4进行表面修饰,其实际容量可高达165 mAh/g,已经非常接近理论容量。工作电压范围为3.4V左右。与以上介绍的正极材料相比,LiFePO4具有高稳定性、更安全可*、更环保并且价格低廉。LiFePO4的主要缺点是理论容量不高,室温电导率低。基于以上原因,LiFePO4在大型锂离子电池方面有非常好的应用前景。但要在整个锂离子电池领域显示出强大的市场竞争力,LiFePO4却面临以下不利因素:(1)来自LiMn2O4、LiMnO2、LiNiMO2正极材料的低成本竞争;(2)在不同的应用领域人们可能会优先选择更适合的特定电池材料;(3)LiFePO4的电池容量不高;(4)在高技术领域人们更关注的可能不是成本而是性能,如应用于手机与笔记本电脑;(5)LiFePO4急需提高其在1C速度下深度放电时的导电能力,以此提高其比容量。(6)在

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