锂离子电池的发展趋势.docx

该【锂离子电池的发展趋势 】是由【博大精深】上传分享，文档一共【6】页，该文档可以免费在线阅读，需要了解更多关于【锂离子电池的发展趋势 】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。锂离子电池的发展趋势
引言
电子信息时时代使对移移动电源的需求求快速增长长。由于锂锂离子电池池具有高电电压、高容容量的重要要优点,且且循环寿命命长、安全全性能好,使使其在便携携式电子设设备、电动动汽车、空空间技术、国国防工业等等多方面具具有广阔的的应用前景景,成为近近几年广为为关注的研研究热点。锂离子电池的机理一般性分析认为,锂离子电池作为一种化学电源,指分别用两个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。当电池充电时,锂离子从正极中脱嵌,在负极中嵌入,放电时反之。锂离子电池是物理学、材料科学和化学等学科研究的结晶。锂离子电池所涉及的物理机理,目前是以固体物理中嵌入物理来解释的,嵌入(intercalation)是指可移动的客体粒子(分子、原子、离子)可逆地嵌入到具有合适尺寸的主体晶格中的网络空格点上。电子输运锂离子电池的正极和负极材料都是离子和电子的混合导体嵌入化合物。电子只能在正极和负极材料中运动。已知的嵌入化合物种类繁多,客体粒子可以是分子、,要求由主体结构作电荷补偿,以维持电中性。电荷补偿可以由主体材料能带结构的改变来实现,电导率在嵌入前后会有变化。锂离子电池电极材料可稳定存在于空气中与其这一特***息相关。嵌入化合物只有满足结构改变可逆并能以结构弥补电荷变化才能作为锂离子电池电极材料。
控制锂离子子电池性能的的关键材料料——电池中正负负极活性材材料是这一一技术的关关键,这是是国内外研研究人员的的共识。
1正极材材料的性能能和一般制制备方法
正极中表征征离子输运运性质的重重要参数是是化学扩散系系数,通常常情况下,正正极活性物物质中锂离离子的扩散散系数都比比较低。锂锂嵌入到正正极材料或从正正级材料中脱嵌嵌,伴随着着晶相变化化。因此,锂离子电池的电极膜都要求很薄,一般为几十微米的数量级。正极材料的嵌锂化合物是锂离子电池中锂离子的临时储存容器。为了获得较高的单体电池电压,倾向于选择高电势的嵌锂化合物。正极材料应满足:
1)在所要要求的充放放电电位范范围内,具具有与电解解质溶液的的电化学相容性性;
2)温和的的电极过程程动力学;;
3)高度可可逆性;
4)全锂化化状态下在在空气中的的稳定性。
研究的热点点主要集中中在层状LLiMO22和尖晶石石型LiMM2O4结结构的化合合物及复合合两种M(MM为Co,NNi,Mnn,V等过过渡金属离离子)的类类似电极材材料上。作作为锂离子子电池的正极极材料,Lii+离子的的脱嵌与嵌嵌入过程中中结构变化化的程度和和可逆性决决定了电池池的稳定重重复充放电电性。正极极材料制备中中,其原料料性能和合合成工艺条条件都会对对最终结构构产生影响响。多种有有前途的正正极材料,都存存在使用循循环过程中中电容量衰衰减的情况况,这是研研究中的首首要问题。已已商品化的的正极材料料有Li11-xCooO2(00<X<),LLI1-XXNIO22(0<XX<),LIIMNO22。它们作作为锂离子子电池正极材料各有优优劣。锂钴钴氧为正极极的锂离子子电池具有开开路电压高高,比能量量大,循环环寿命长,能能快速充放放电等优点点,但安全全性差;锂锂镍氧较锂锂钴氧价格格低廉,性性能与锂钴钴氧相当,具具有较优秀秀的嵌锂性性能,但制制备困难;;而锂锰氧氧价格更为为低廉,制制备相对容容易,而且且其耐过充充安全性能能好,但其其嵌锂容量量低,并且且充放电时时尖晶石结结构不稳定定。从应用用前景来看看,寻求资资源丰富、价价廉、无公公害,还有有在过充电电时对电压压控制和电电路保护的的要求较低低等优点的的,高性能能的正极材材料将是锂离子子电池正极材料研究的的重点。国国外有报道道LIVOO2亦能形形成层状化化合物,可可作为正极极电极材料料。从这些些报道看出出,虽然电电极材料化学组成相相同,但制制备工艺发发生变化后后,其性能能改变较多多。成功的的商品化电电极材料在制备备工艺上都都有其独到到之处,这这是国内目目前研究的的差距所在在。各种制制备方法优优缺点列举举如下。<<FONNT>
1)固相法法一般选用用碳酸锂等等锂盐和钴钴化合物或或镍化合物物研磨混合合后,进行行烧结反应应。此方法法优点是工工艺流程简简单,原料料易得,属属于锂离子子电池发展初初期被广泛泛研究开发发生产的方方法,国外外技术较成成熟;缺点点是所制得得正极材料料电容量有有限,原料料混合均匀匀性差,制制备材料的性能能稳定性不不好,批次次与批次之之间质量一一致性差。
2)络合物物法用有机机络合物先先制备含锂锂离子和钴钴或钒离子子的络合物物前驱体,再再烧结制备备。该方法法的优点是是分子规模模混合,材材料均匀性性和性能稳稳定性好,正正极材料电容量量比固相法法高,国外外已试验用用作锂离子子电池的工业业化方法,技技术并未成成熟,国内内目前还鲜鲜有报道。
3)溶胶凝凝胶法利用用上世纪770年代发发展起
来的制备超超微粒子的的方法,制制备正极材材料,该方方法具备了了络合物法法的优点,而而且制备出出的电极材材料电容量量有较大的的提高,属属于正在国国内外迅速速发展的一一种方法。缺缺点是成本本较高,技技术还属于于开发阶段段。
4)离子交交换法Arrmstrrong等等用离子交交换法制备备的LiMMnO2,获获得了可逆逆放电容量量达2700mA·hh/g高值值,此方法法成为研究究的新热点点,它具有有所制电极极性能稳定定,电容量量高的特点点。但过程程涉及溶液液重结晶蒸蒸发等费能能费时步骤骤,距离实实用化还有有相当距离离。
正极材料的的研究从国国外文献可可看出,其其电容量以以每年300~50mmA·h//g的速度度在增长,发发展趋向于于微结构尺尺度越来越越小,而电电容量越来来越大的嵌嵌锂化合物物,原材料料尺度向纳纳米级挺进进,关于嵌嵌锂化合物物结构的理理论研究已已取得一定定进展,但但其发展理理论还在不不断变化中中。困扰这这一领域的的锂电池电容量量提高和循循环容量衰衰减的问题题,已有研研究者提出出添加其它它组分来克克服的方法法。但就目目前而言,这这些方法的的理论机理理并未研究究清楚,导导致日本学学者Yosshio..Nishhi认为,过过去十年以以来在这一一领域实质质进展不大大[1],急急须进一步步地研究。
2负极材材料的性能能和一般制制备方法
负极材料的的电导率一一般都较高高,则选择择电位尽可可能接近锂锂电位的可可嵌入锂的的化合物,如如各种碳材材料和金属属氧化物。可可逆地嵌入入脱嵌锂离离子的负极材料要求具具有:
1)在锂离离子的嵌入入反应中自自由能变化化小;
2)锂离子子在负极的的固态结构构中有高的的扩散率;;
3)高度可可逆的嵌入入反应;
4)有良好好的电导率率;
5)热力学学上稳定,同同时与电解解质不发生生反应。
研究工作主主要集中在在碳材料和具有有特殊结构构的其它金金属氧化物物。石墨、软软碳、中相相碳微球已已在国内有有开发和研研究,硬碳碳、碳纳米米管、巴基基球C600等多种碳碳材料正在被被研究中。日日本HonndaRReseaarchaandDDevellopmeentCCo.,(PPolypparapphenyylenee——PPPP)的热热解产物PPPP-7700(以以一定的加加热速度加加热PPPP至7000℃,并保温温一定时间间得到的热热解产物)作作为负极,可可逆容量高高达6800mA·hh/g。美美国MITT的MJMMatthhews报报道PPPP-7000储锂容量量(Stoorageecapaacityy)可达11170mmA·h//g。若储储锂容量为为11700mA·hh/g,随随着锂嵌入入量的增加加,进而提提高锂离子子电池性能,笔笔者认为今今后研究将将集中于更更小的纳米米尺度的嵌嵌锂微结构构。几乎与与研究碳负负极同时,寻寻找电位与与Li+//Li电位位相近的其其他负极材材料的工作作一直受到到重视。锂锂离子电池池中所用碳碳材料尚存在在两方面的的问题:
1)电压滞滞后,即锂锂的嵌入反反应在0~~(相对对于Li++/Li)而而脱嵌反应应则在1VV左右发生生;
2)循环容容量逐渐下下降,一般般经过122~20次次循环后,容容量降至4400~5500mAA·h/gg。
理论上的进进一步深化化还有赖于于各种高纯纯度、结构构规整的原原料及碳材材料的制备备和更为有有效的结构构表征方法法的建立。日日本富士公公司开发出出了锂离子子电池新型锡锡复合氧化化物基负极极材料,除此此之外,已已有的研究究主要集中中于一些金金属氧化物物,其质量量比能量较较碳负极材材料大大提提高。如SSnO2,WWO2,MMoO2,VVO2,TTiO2,LLixFee2O3,LLi4Tii5O122,Li44Mn5OO12等[[24],但但不如碳电电极成熟。锂锂在碳材料料中的可逆逆高储存机机理主要有有锂分子LLi2形成成机理、多多层锂机理理、晶格点点阵机理、弹弹性球-弹弹性网模型型、层-边边端-表面面储锂机理理、纳米级级石墨储锂锂机理、碳碳-锂-氢氢机理和微微孔储锂机机理。石墨墨,作为碳碳材料中的一一种,早就就被发现它它能与锂形形成石墨嵌嵌入化合
物物(GraaphitteInnterccalattionComppoundds)LiiC6,但但这些理论论还处于发发展阶段。负负极材料要克服服的困难也也是一个容容量循环衰衰减的问题题,但从文文献可知,制制备高纯度度和规整的的微结构碳碳负极材料料是发展的的一个方向向。
一般制备负负极材料的方法法可综述如如下。
1)在一定定高温下加加热软碳得得到高度石石墨化的碳碳;嵌锂石石墨离子型型化合物分分子式为LLiC6,其其中的锂离离子在石墨墨中嵌入和和脱嵌过程程动态变化化,石墨结结构与电化化学性能的的关系,不不可逆电容容量损失原原因和提高高方法等问问题,都得得到众多研研究者的探探讨。2)将将具有特殊殊结构的交交联树脂在在高温下分分解得到的的硬碳,可可逆电容量量比石墨碳碳高,其结结构受原料料影响较大大,但一般般文献认为为这些碳结结构中的纳纳米微孔对对其嵌锂容容量有较大大影响,对对其研究主主要集中于于利用特殊殊分子结构构的高聚物物来制备含含更多纳米米级微孔的的硬碳。
3)高温热热分解有机机物和高聚聚物制备的的含氢碳。这这类材料具有6600~9900mAA·h/gg的可逆电电容量,因因而受到关关注,但其其电压滞后后和循环容容量下降的的问题是其其最大应用用障碍。对对其制备方方法的改进进和理论机机理解释将将是研究的的重点。
4)各种金金属氧化物物其机理与与正极材料料类似,
也受到研究究者的注意意,研究方方向主要是是获取新型型结构或复复合结构的的金属氧化化物。
5)作为一一种嵌锂材材料,碳纳纳米管、巴巴基球C660等也是是当前研究究的一个新新热点,成成为纳米材材料研究的的一个分支支。碳纳米米管、巴基基球C600的特殊结结构使其成成为高电容容量嵌锂材材料的最佳佳选择。从从理论上说说,纳米结结构可提供供的嵌锂容容量会比目目前已有的的各种材料料要高,其其微观结构构已被广泛泛研究并取取得了很大大进展,但但如何制备备适当堆积积方式以获获得优异性性能的电极极材料,这应应是研究的的一个重要要方向。
3结语
综上所述,近近年来锂离离子电池中正负负极活性材材料的研究究和开发应应用,在国国际上相当当活跃,并并已取得很很大进展。材料的晶体结构规整,充放电过程中结构不发生不可逆变化是获得比容量高,循环寿命长的
锂离子电池的关键。然而,对嵌锂材料的结构与性能的研究仍是该领域目前最薄弱的环节。锂离子电池的研究是一类不断更新的电池体系,物理学和化学的很多新的研究成果会对锂离子电池产生重大影响,比如纳米固体电极,有可能使锂离子电池有更高的能量密度和功率密度,从而大大增加锂离子电池的应用范围。总之,锂离子电池的研究是一个涉及化学、物理、材料、能源、电子学等众多学科的交叉领域。目前该领域的进展已引起化学电源界和产业界的极大兴趣。可以预料,随着电极材料结构与性能关系研究的深入,从分子水平上设计出来的各种规整结构或掺杂复合结构的正负极材料将有力地推动锂离子电池的研究和应用。锂离子电池将会是继镍镉、镍氢电池之后,在今后相当长一段时间内,市场前景最好、发展最快的一种二次电池。