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鋰離子電池的心臟——正極材料

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年01月09日  

近年來,新能源汽車在市場及政策的雙重支持下發展勢態良好,動力電池作為新能源汽車的核心部件,也隨之飛速發展。2018年前4月,我國動力電池裝機量累計達8.08GWh,同比增長253.66%。鋰離子電池是新能源汽車目前使用最普遍的動力電池,它主要由正極材料、負極材料、隔膜和電解液等構成。正極材料在鋰電池的總成本中占據40%以上的比例,并且其性能直接影響了鋰電池的各項性能指標,所以正極材料在鋰電池中占據核心地位。正極材料的性能和價格等是制約鋰離子電池進一步向高能量、長壽命和低成本發展的瓶頸,發展高能鋰離子電池的關鍵技術之一是正極材料的開發。那么今天,電動汽車資源網就給大家說一說鋰離子電池的正極材料有哪些。


鋰鈷氧化物


鋰鈷氧化物,也被稱作鈷酸鋰,化學式為LiCoO2,是以一種無機化合物。鋰鈷氧化物是目前市場上鋰離子電池用的最廣泛的正極材料之一。LiCoO2屬于α-NaFeO2型結構,它具有二維層狀結構,適合鋰離子的脫嵌,其理論容量為274mAh/g,但在實際應用中,由于結構穩定性的限制,最多只能把晶格中的一半Li+脫出,因此實際比容量約為140mAh/g左右,其平均工作電壓高達3.7V。鋰鈷氧化物一般采用高溫固相法制備,該種方法工藝簡單、容易操作、適宜量產。由于鋰鈷氧化物制備容易,而且具有電化學性能高、循環性能好、性能穩定以及充放電性能優良等優點,所以它是最早被規模化用于鋰離子電池的正極材料。


鋰鎳氧化物


鋰鎳氧化物,也被稱作鎳酸鋰,化學式為LiNiO2。鋰鎳氧化物的結構為立方巖鹽,與鋰鈷氧化物相同,但其價格比鋰鈷氧化物低。它的理論容量為276mAh/g,實際比容量為140~180mAh/g,工作電壓范圍為2.5V~4.2V。鋰鎳氧化物擁有高溫穩定性好、自放電率低、無過充電及過放電限制、無污染等優點,此外它還是目前研究的正極材料中實際放電容量較高的。但由于其要求在富氧氣氛下合成,工藝條件控制要求較高且易生成非計量化合物,條件苛刻,制備困難,所以它作為鋰離子電池的正極材料使用的并不多。


鋰錳氧化物


鋰錳氧化物,按照結構分為層狀LiMnO2和尖晶石型LiMn2O4兩種。LiMnO2屬于正交晶系,巖鹽結構,氧原子呈扭變四方密堆結構分布,理論比容量達到286mAh/g,充放電范圍為2.5~4.3V。LiMn2O4為尖石型結構,立方晶系,F其可以產生4.0V的高電壓平臺,理論容量為148mAh/g,與鋰鈷氧化物容量接近。我國是一個錳礦資源豐富的國家,錳礦價格低廉,而且環境相容性好,所以鋰錳氧化物也是很有發展潛力的正極材料。使用鋰鈷氧化物作為正極材料生產的電池,安全性好,耐過充放電。


鋰鐵氧化物


鋰鐵氧化物,化學式為LiFePO4,在自然界中以磷鐵鋰礦的形式存在,為橄欖石形結構,屬于正交晶系。鋰鐵氧化物理論比容量為170mAh/g,理論電壓為3.5V。它充放電前后結構變化小,循環性能好,高溫穩定性好,并且在室溫條件下充放電可接近理論容量;缺點是在高倍率下極化大,可逆容量下降快,且不能進行大電流充放電。目前鋰鐵氧化物的制備方法有高溫固相法、液相法、溶膠-凝膠法、噴霧熱解法、微波法等等。其中傳統的高溫固相法制備出來的晶粒尺寸不易掌控,并且電化學性能較差,改進后的高溫固相法將液相機械化學活化法運用在其合成工藝中,因此更適合工業化規模化生產。


鋰釩氧化物


鋰釩氧化物,化學式為Li1+xV3O8,它的結構由八面體和三角雙錐組成,鋰離子位于八面體位置,與層之間用離子鍵固定,過量的鋰占據層間四面體位置。其理論比容量為240mAh/g,充放電范圍較小,在2~3.7V之間。鋰釩氧化物比容量高、循環性能穩定,但其電導率低,氧化性強,容易導致有機電解液分解。制備鋰釩氧化物的主要方法有高溫固相法和液相反應法。


鋰錳鎳鈷復合氧化物


鋰錳鎳鈷復合氧化物,化學式為LiNi1-x-yCoxMnyO2。它由于引入和Ni、Co、Mn,所以存在明顯的三元協同效應,綜合了LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2三種層狀材料的優點。由于加入了Ni,有效提高了其材料容量;加入了Co,其層狀結構得到明顯穩定;加入Mn,降低了材料成本的同時,還提高了其安全性。此外,LiNi1-x-yCoxMnyO2的充放電平臺高,性能更佳,因此有望取代現有的其他正極材料。

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