三元正極材料用于鋰離子電池的研究

所屬分類：電子論文閱讀次時間：2021-03-09 10:03

本文摘要：摘要：高鎳三元鋰離子電池正極材料具有放電容量大、循環(huán)性能好以及成本低等優(yōu)點被認為是替代 LiNiO2、LiCoO2、LiMnO2的一種極具發(fā)展前景的正極材料之一。為了滿足動力電池對鋰離子電池正極材料的要求，研究者對各種正極材料進行了深入的研究。鎳鈷錳三元正極

　　摘要：高鎳三元鋰離子電池正極材料具有放電容量大、循環(huán)性能好以及成本低等優(yōu)點被認為是替代 LiNiO2、LiCoO2、LiMnO2的一種極具發(fā)展前景的正極材料之一。為了滿足動力電池對鋰離子電池正極材料的要求，研究者對各種正極材料進行了深入的研究。鎳鈷錳三元正極材料有較高的能量密度以及較好的循環(huán)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，有希望應用于電動汽車和混合電動汽車上。

　　關鍵詞：高性能;鋰離子電池;正極材料

三元鋰電

　　近年來，由于化石能源過度開采和大量使用，并且化石燃料在使用過程中，產(chǎn)生的有害氣體和溫室氣體對人類的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生了極其惡劣的影響。因此，開發(fā)可再生清潔新能源在一定程度上成為緩解能源短缺和環(huán)境污染(溫室效應、酸雨、霧霾等)的有效途徑。目前，汽車產(chǎn)業(yè)是能源消耗的大戶，為適應綠色節(jié)能環(huán)保的新理念，國務院已提出了汽車工業(yè)向純電驅動轉型的戰(zhàn)略，推廣純電動汽車、混合動力汽車與節(jié)能內(nèi)燃機汽車的普及，提高汽車產(chǎn)業(yè)的整體技術水平。電動汽車發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)是動力電池，鋰電池由于其電池電壓高，容量大，能量密度高，循環(huán)壽命長，自放電率低，環(huán)境友好，無記憶效應，密封良好等優(yōu)點而得到業(yè)界的廣泛認可。因此，加大對鋰離子電池的研發(fā)力度，具有十分重要的意義。

　　作者：張寧

　　1 鋰離子電池正極材料及要求

　　1.1鋰離子電池正極材料

　　鋰離子電池中常用的正極材料一般是含鋰的變價金屬化合物。在鋰離子電池充電的過程中，鋰離子從正極材料的晶體結構中脫嵌出來，為了維持材料本身的電中性，變價金屬離子會被氧化為更高價態(tài)的離子，以此起到穩(wěn)定材料晶體結構的作用，鋰離子正極材料在充放電過程中的結構穩(wěn)定性對于電池的整體性能有著關鍵的作用。鋰離子正極材料按照材料的晶體結構類型分類，可以分為尖晶石型、橄欖石型以及層狀結構。大部分研究者的研究工作都是圍繞著這幾類材料而展開的。

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　　1.2銼離子電池的工作原理與結構

　　鏗離子電池以鏗電池發(fā)展為基礎，實質為鏗離子濃差電池。鏗離子電池的正負極均為能夠進行可逆嵌鏗刊;改里的化合物。正極材料一般為電勢較高，在空氣中穩(wěn)定存在的嵌鏗過渡金屬氧化物;而負極材料一般為電勢盡可能接近金屬鏗的電勢的嵌鏗物質。鏗離子電池的工作原理，在充放電過程中，鏗離子在正極與負極之間來回嵌入和脫嵌，所以鏗離子電池也稱作搖椅電池。在充電時，鏗離子從正極脫嵌進入電解液最后嵌入負極，使正、負極分別處于貧鏗和富鏗狀態(tài)，同時，為保證電荷的平衡，電子通過外電路由正極流向負極。放電時則與上述過程相反。

　　2、三元材料的合成

　　2.1高溫固相法

　　高溫固相法的特點是工藝簡單、成本低、易于控制、適合工業(yè)化生產(chǎn)。但是固相法的混合方式屬于物理混合，很難實現(xiàn)反應物原子級別的混合，因此固相法合成的材料均一性較差而且在混合過程中可能由于引入雜質而影響材料的電化學性能。

　　2.2共沉淀法

　　目前，已有大量文獻報道的常用制備鎳鈷錳三元正極材料前驅體的方法主要是氫氧化鈉共沉淀法。最早期的共沉淀法是在長頸燒瓶中合成的，在合成過程中，氨水的主要作用是作為絡合劑，與過渡金屬離子絡合以達到沉淀的目的。

　　2.3溶膠凝膠法

　　溶膠凝膠法是將乙酸鹽、鋰源以及絡合劑先制備成溶膠溶液，然后緩慢蒸發(fā)水分形成凝膠，最后除去水分得到前驅體。前驅體可直接進行高溫煅燒得到三元正極材料。

　　2.4熔融鹽法

　　材料在液相狀態(tài)下進行結晶時，材料結晶性更好、晶體結構缺陷較少。熔融鹽法就是將正極材料的反應結晶過程置于熔融狀態(tài)的鹽中進行，這個過程類比了礦物質在水熱條件下結晶過程。

　　3、鎳鈷錳三元正極材料的改性研究

　　三元正極材料的缺陷主要表現(xiàn)在熱穩(wěn)定性較差，充放電過程中存在的結構轉變等問題。針對三元材料的以上缺陷，目前，對三元正極材料的改性研究主要包括摻雜、包覆、核殼結構、濃度梯度等。其中摻雜改性能改善材料的熱穩(wěn)定性能，摻雜后的正極材料具有緩解或抑制電化學反應過程中的結構轉變的作用，除此之外摻雜改性還可以改變材料的晶格間距等。

　　因此，摻雜能夠提高材料的耐高溫性能、改善材料的循環(huán)和倍率性能;而包覆則主要是抑制正極材料與電解液之間的副反應、緩解或消除材料在循環(huán)過程中過渡金屬離子的溶解;而核殼結構則是包覆的基礎上進行的延伸，核殼結構的核和殼都是電化學活性物質，且在界面處具有較好的相容性，核殼結構的作用主要是改善正極材料的界面性能、降低正極材料/電解液界面處的副反應以及抑制活性較高的過渡金屬離子的溶解。濃度梯度設計主要是基于為了解決核殼結構中核與殼的相容性差而提出來的結構設計方案，使材料的組分由表面向內(nèi)部連續(xù)變化以提高內(nèi)外材料的相容性。濃度梯度作為一種很有前景的三元正極材料設計方案，能夠有效地改善材料的界面性能和緩解正極材料/電解液界面處的副反應。

　　4結論

　　關于鋰離子電池三元正極材料的性能、現(xiàn)狀，結合相關報道可以看出，層狀Li-Ni-Co-Mn-O材料依然具有很強的開發(fā)價值，不同類型三元正極材料的制備也為其發(fā)展帶來了很多便利。尤其是LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2具有容量高、循環(huán)穩(wěn)定性好、倍率性能高等優(yōu)點，適宜用作電動汽車的鋰離子電池正極材料，目前備受關注。LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2雖然具有許多優(yōu)良性能，但仍存在高電壓區(qū)間性能差、放電能力差、振實密度低等缺點。通過改善合成工藝、有效的包覆或摻雜，提高材料的循環(huán)和倍率性能及充放電截止電壓，從而獲得更高比容量的鋰離子電池商業(yè)化正極材料。在未來的研究中，應秉承價格低廉、性能優(yōu)異、無污染的研發(fā)理念，使三元正極鋰離子電池材料發(fā)展為電動汽車的主流材料。

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　　作者簡介：姓名：張寧。性別：女。民族：漢。