鋰離子電池研究現狀

馬曉玲

摘 要:鋰離子電池和傳統的蓄電池比較起來,不但能量更高,放電能力更強,循環壽命更長,而且其儲能效率能夠超過90％,以上特點決定了鋰離子電池在電動汽車、存儲電源等方面極具發展前景。本文對對鋰離子電池的正極材料、負極材料、電解液等方面的研究現狀進行探討。

關鍵詞:鋰離子電池正極材料負極材料電解液

中圖分類號:TM91 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)06(b)-0240-01

鋰離子電池能夠大規模地運用于電動汽車產業,并用于太陽能與風能等清潔能源的保存。因此,如今鋰離子電池技術已經成為研究人員及企業高度關注的重要課題。鋰離子電池憑借其極高的能量密度、較長循環的壽命、快速充電與放電等諸多方面的優勢以及不斷降低的生產制作成本,已經成為今后十至二十年中電動汽車的首選電池。為此,筆者對鋰離子電池的研究現狀開展了研究。

1正極材料研究現狀

鋰離子電池的正極材料將直接影響到鋰電池所具有的能量密度性能、比功率特點、溫度特點和安全特點等等。在當前的市場化鋰離子電池中,其正極材料主要包括了LiCoO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LixMn2O4等LiFePO4等四種。第一種是LiCoO2,這是第一代市場化鋰離子電池正極材料,具備了一些優勢,如比能量相對而言比較高,循環性能以及高、低溫狀態下的工作性能較好,與之相對應的鋰離子電池產品一般用在各類小型電子設備。然而,因為使用這一材料的電池在安全性和耐過充性上相對較差,再加上Co資源較為稀缺,其價格十分昂貴,由此而無法成為大容量車用與儲能鋰電池正極上使用的材料。第二種是LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2,這是一種具有了高容量的三元類材料,其可逆比容量能夠達到160mAh/g之上,是一種十分有前途的正極材料。這一材料和電解液之間的相容性比較好,循環性能十分好,能夠應用于手機電池和動力電池等很多產品之中。因為三元材料會鑒于Ni、Co、Mn等三種元素的比例變化而具有不一樣的性能,可見,這類材料能夠產生出大量的正極材料,從而滿足于各類產品之需求。第三種是LixMn2O4,這是一種成本更加低的材料,其熱穩定性與抗過充電性均超過了LiCoO2與LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2,其三維隧道結構要比層間化合物更加有利于Li+的嵌入與脫出,主要應用在高功率動力電池上。然而,其相對較低的110mAh/g的比容量以及較差的300次循環性能,尤其是高溫循環性之差導致其運用具有非常大的限制。第四種是LiFePO4。這是一種磷酸鹽聚陰離子化合物,也是近年來較快地發展起來的正極材料之一,具備了比較高的安全性,其耐高溫性相當好,循環性能也具有優勢,從而使其在動力電池與備用電源領域具有十分廣闊的實際運用前景。然而,同時其也存在著電壓平臺比較低、電導率較低以及低溫的放電性與倍率放電差等特點。綜合考慮正極材料的未來發展前景,磷酸鐵鋰材料中所存在的一系列問題必將得到合理的解決,學者們與企業所一致看好的LiFePO4能夠在車用電池領域當中具備較好的發展前景。

2負極材料研究現狀

當前,對于鋰電池負極材料的研究主要集中于碳材料、合金材料鈦酸鋰以及過渡金屬氧化物等等。其中,碳材料是研究者最早投入研究并用在鋰電池生產中的負極材料。依據負極材料的結構特性,一般分為三類:石墨,易石墨化碳即軟碳,難石墨化碳,即硬碳。因為軟碳和石墨所具有的結晶性能較為類似,一般均覺得其比硬碳更為容易插入鋰之中,也就是更為容易進行充電,其安全性自然也就更加好。石墨類材料的技術相對來說較為成熟。常規鋰電池負極材料主要有天然石墨、天然石墨改性材料、中間相炭微球以及石油焦類人造石墨等,其中中間相炭微球的結構較為特殊,呈現出球形的片層結構,而且表面上較為光滑,其直徑介于5m～40m之間,這一材料所具有獨特的形貌導致其在比容電量(能夠達到330mAh/g之上)、安全性能、放電效能及循環壽命(循環次數在2000次之上)等諸多方面具備了明顯的優勢,然而其成本有待于進一步降低。當前,硬碳材料因為具有首效較低、壓實的密度較低、工藝上不夠成熟等大量問題,所以尚未進入到大規模的商品化之中,而國內對這一領域尚處在試驗階段之中,有關的文獻報道非常少。除了上述碳類負極材料之外,其他的負極材料包括了錫基復合氧化物、碳硅復合材料以及鈦酸鋰等,其中的鈦酸鋰是目前重要的研究熱點。這種材料是一種嵌入式的化合物,呈現出尖晶石結構,還可嵌入Li+。目前,電極理論嵌鋰容量的大小是175mAh/g。在作為鋰動力電池負極材料之時,鈦酸鋰具備了十分顯著的有利條件,不僅循環壽命非常長,而且鈦酸鋰的體積變化十分小,被稱之為零應變材料。鈦酸鋰與電解液間在界面上不會出現SEI膜,而且內阻并不會有增加,其安全性能十分優異,電壓平臺在1.5V左右,不容易導致金屬鋰的析出。電壓的平臺較為穩定,具備了極好的耐過充性能以及耐過放性能。然而,鈦酸鋰電極電位相對而言比較高,其壓實密度與重量比能量相對而言比較低,導致導電性差與大倍率性能需要進一步提升,而產品的一致性與電池的加工性能相對而言也比較差,從而限制了鈦酸鋰更加廣泛的市場化運用。

3電解液研究現狀

電解質的作用是在正、負極之間輸送與傳導鋰離子。當前,電解液的溶劑包括了碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯以及碳酸甲乙酯等五類。當前,動力電池一般是以LiPF6為電解質鹽的,并由碳酸乙烯酯與直鏈碳酸酯共同構成的混合溶劑作為電解液。然而,因為LiPF6的熱穩定性與化學穩定性相對比較差,對于怎么進一步提升動力與儲能電池安全性能、循環性能等方面具有無法忽視的負面影響。所以,要不斷研究新型電解質鋰鹽、功能添加劑的作用,這已成為這些年來鋰電池電解液研究的重要方向,因此,二草酸硼鋰在鋰離子電池當中的運用已經引起了研究者更大的關注。用這種鹽所配制而成的電解液具有抗過充與阻燃等作用,所形成的SEI膜十分穩定。LiMn2O4在LiBOB電解液當中的分解熱只達到60J/g,而LiFePO4則更低,大概是6～8J/g,如此一來,就能極大地提升動力電池的安全性。因此,把LiBOB視為添加劑加以運用,和LiPF6進行混合使用,能夠極大地提升動力電池所具有的高溫循環作用。

4結語

當前,中國已將新能源汽車業列為今后一個時期大力發展的戰略性新興產業之一,這就為鋰離子電池打開了更為廣闊的市場空間。同時,在電動自行車領域、航天領域、軍事領域之中,鋰離子電池也具有非常好的發展前景。筆者堅信,隨著鋰離子電池技術的進一步發展,鋰離子電池所具有的性能必然會愈來愈高,其應用價值也會越來越大,并朝著高能量密度化、高功率化、大型化等趨勢繼續發展。

參考文獻

[1] 李明月.新型鋰離子電池材料研究進展[J].化工生產與技術,2010(4).

[2] 賈豐春.鋰離子電池負極材料研究進展[J].遼寧化工,2011(11).

[3] 李偉偉.鋰離子電池正極材料研究進展[J].電子元件與材料,2012(63).