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锂离子电池负极材料有哪些

锂离子电池正负极材料有哪些种类?终于清楚了!

锂离子电池正极材料主要包括:锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物和聚阴离子正极材料系列。

锂离子电池正负极材料有哪些种类?终于清楚了!

我们经常会看到磷酸铁锂,三元等专业的锂离子电池术语,这些都是根据锂离子电池正极材料来区分锂离子电池的类型。相对来讲,锂离子电池的正、负极材料对电池性能的影响比较大,是大家比较关心的方面。那么,当前市场上都有哪些常见的正负极材料呢?用他们做锂离子电池,又有哪些优缺点?

一、正极材料

首先,我们来看看正极材料,正极材料的选择,主要基于以下几个因素考虑:

1) 具有较高的氧化还原反应电位,使锂离子电池达到较高的输出电压;

2) 锂元素含量高,材料堆积密度高,使得锂离子电池具有较高的能量密度;

3) 化学反应过程中的结构稳定性要好,使得锂离子电池具有长循环寿命;

4) 电导率要高,使得锂离子电池具有良好的充放电倍率性能;

5) 化学稳定性和热稳定性要好,不易分解和发热,使得锂离子电池具有良好的安全性;

6) 价格便宜,使得锂离子电池的成本足够低;

7) 制造工艺相对简单,便于大规模生产;

8) 对环境的污染低,易于回收利用。

当前,锂离子电池的能量密度、充放电倍率、安全性等一些关键指标,主要受制于正极材料。

基于这些因素考虑,经过工程研究和市场化检验,目前市场常见的正极材料如下表所示:

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1. 锂钴氧化物

锂钴氧化物是现阶段商品化锂离子电池中应用最成功、最广泛的正极材料。其在可逆性、放电容量、充放电效率和电压稳定方面是比较好的。

2. 锂镍氧化物

镍酸锂(LiNiO2)为立方岩盐结构,与LiCoO2相同,但其价格比LiCoO2低。LiNiO2理论容量为276mAh/g,实际比容量为140~180mAh/g,工作电压范围为2.5V~4.2V[66],无过充或过放电的限制,具有高温稳定性好,自放电率低,无污染,是继LiCoO2之后研究得较多的层状化合物。但LiNiO2作为锂离子电池正极材料存在以下问题亟待研究解决。

3. 锂锰氧化物

我国锰资源储量丰富,而且锰无毒,污染小,因此层状结构的LiMnO2和尖晶石型的LiMn2O4都成为了正极材料研究的热点。

4. 锰镍钴复合氧化物

层状锰镍钴复合氧化物正极材料综合了LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2 三种层状材料的优点,其综合性能优于以上任一单一组分正极材料,存在明显的三元协同效应:通过引入Co,能够减少阳离子混合占位情况,有效稳定材料的层状结构;通过引入Ni,可提高材料的容量;通过引入Mn,不仅可以降低材料成本,而且还可以提高材料的安全性。而LiMnxNiyCo1-x-yO2材料充放电平台略高于LiCoO2,适合现有各类锂离子电池应用产品,有望取代现有各类其他正极材料。

5. 锂钒氧化物

钒为多价态金属,与锂可形成多种氧化物,主要包括层状的LiVO2、LixV2O4、Li1+xV3O8和尖晶石型LiV2O4、反尖晶石型LiVMO4(M=Ni, Co)。

二、负极材料

相对而言,针对锂离子电池负极材料的研究,没有正极材料那么多,但是负极材料对锂离子电池性能的提高仍起着至关重要的作用,锂离子电池负极材料的选择应主要考虑以下几个条件:

1) 应为层状或隧道结构,以利于锂离子的脱嵌;

2) 在锂离子脱嵌时无结构上的变化,具有良好的充放电可逆性和循环寿命;

3) 锂离子在其中应尽可能多的嵌入和脱出,以使电极具有较高的可逆容量;

4) 氧化还原反应的电位要低,与正极材料配合,使电池具有较高的输出电压;

5) 首次不可逆放电比容量较小;

6) 与电解质溶剂相容性好;

7) 资源丰富、价格低廉;

8) 安全性好;

9) 环境友好。

锂离子电池负极材料的种类繁多,根据化学组成可以分为金属类负极材料(包括合金)、无机非金属类负极材料及金属氧化物类负极材料

(1)金属类负极材料:这类材料多具有超高的嵌锂容量。最早研究的负极材料是金属锂。由于电池的安全问题和循环性能不佳,金属锂作为负极材料并未得到广泛应用。近年来,合金类负极材料得到了比较广泛的研究,如锡基合金,铝基合金、镁基合金、锑基合等,是一个新的方向。

(2)无机非金属类负极材料:用作锂离子电池负极的无机非金属材料主要是碳材料、硅材料及其它非金属的复合材料。

(3)过渡金属氧化物材料:这类材料一般具有结构稳定,循环寿命长等优点,如锂过渡氧化物(钛酸锂等)、锡基复合氧化物等。

就当前的市场而言,在大规模商业化应用方面,负极材料仍然以碳材料为主,石墨类和非石墨类碳材料都有应用。在汽车及电动工具领域,钛酸锂作为负极材料也有一定的应用,主要是具有非常优异的循环寿命、安全性和倍率性能,但是会降低电池的能量密度,因此不是市场主流。其他类型的负极材料,除了SONY在锡合金方面有产品推出,大多仍以科学研究和工程开发为主,市场化应用的比较少。

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就未来的发展趋势而言,如果能有效解决循环性能,硅基材料将可能取代碳材料成为下一代锂离子电池的主要负极材料。锡合金,硅合金等合金类的负极材料,也是一个非常热门的方向,将走向产业化。此外,安全性和能量密度较高的铁氧化物,有可能取代钛酸锂(LTO),在一些长寿命和安全性要求较高的领域,得到广泛应用。

接下来的内容,我们将就锂离子电池与能量相关的两个关键指标:能量密度和充放电倍率,展开一些简短的论述。

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能量密度,是单位体积或重量可以存储的能量多少,这个指标当然是越高越好,凡是浓缩的都是精华嘛。充放电倍率,是能量存储和释放的速度,最好是秒速,瞬间存满或释放,召之即来挥之即去。

当然,这些都是理想,实际上受制于各种各样的现实因素,我们既不可能获得无限的能量,也不可能实现能量的瞬间转移。如何不断的突破这些限制,达到更高的等级,就是需要我们去解决的难题。

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