锂离子电池研究进展

华东理工大学2013—2014学年第1学期 《 新能源与新材料》课程论文 2013.11

班级___复材101__ 学号__10103638__ 姓名____温乐斐_____ 开课学院 材料学院 任课教师 张 衍 成绩__________

论文题目： 锂离子电池研究进展 论文要求： 根据选择的论文范围，通过查阅文献资料，内容能够反映教师要求，举例恰当，论文格式符合规范（参见华东理工大学学报）。2500字以上。包括中英文摘要、关键词、正文和参考文献等。 教师评语： 评分项目 选题 内容与要求的吻合情况 中文摘要 英文摘要 中英文关键词 综述内容 正文组织结构 参考文献集标注 各项分值 5 5 5 5 5 55 10 10 得分 教师签名 2013年 月 日

锂离子电池研究进展

温乐斐 （华东理工大学）

摘要

二次锂电池的优点是高体积、高质量比容量、长循环寿命、低放电速率，是环保型

电源的理想备选之一。本文简单介绍了锂离子电池的正极材料、负极材料及电解质的种类和发展概况，并对当今锂离子电池发展所面临的问题和发展前景进行阐述。最后说明了一下其发展前途和产业化趋势。

关键词：锂电池；正极材料；负极材料；电解质；发展进程

The Research and Development of Rechargeable Lithium-ion Battery

Wen Lefei

(East China University of Science and Technology)

Abstract

The rechargeable lithium-ion battery has been extensively used in mobile communication and portable instruments due to many advantages, such as high volumetric and gravimetric energy density, long cycle life, and low self-discharge rate. In addition, it is one of the promising alternatives as the power sources. The development of researches on materials of lithium-ion battery for cathode, abode and electrolyte are introduced in this paper, at the same time lithium-ion existing problems is battery and prospects are also outlined. At last, the strategic position and some future investigating trends are also presented.

Key words: Li-ion battery; cathode materials; anode materials; electrode materials; research

and development; progress

一．前言

20世纪80年代中期开始，由于音频和视频等装置的便携化、小型化，促进了作为电源的电池从干电池向可充电电池的过渡，同时促进了镍镉电池的大容量化。尽管镍镉电池的能量密度（单位重量或单位体积的放电容量，分别以Ah/kg或Ah/dm3表示）不断得到改善，但是到20世纪90年代已经达到了其技术的极限，有必要开发新的高性能可充电电池。此外由于担心镉对环境的影响，欧美对镍镉电池制定了严格的回收政策。 在这样的背景下，1990年前后相继开发出的两类高性能可充电电池——镍氢可充电电池及锂离子可充电电池（LIB）。在高比能量电池研究过程中，从镍氢电池的80Wh/kg（120Wh/L）到锂离子电池的150Wh/kg（250Wh/L），到目前锂离子聚合物电池的180 Wh/kg（300 Wh/L），科学家不断地把电池的比能量推向新的水平。但是，目前商品化的锂离子电池比能量已经接近理论容量，很难继续提高，因而开发更高比能量的电池是电池产业的当务之急。

二．锂离子可充电电池简介

表1给出了可用作电池负极材料的各种参数。用Li可得到电压高、能量密度大的电池。锂干电池于20世纪60年代实用化，用二氧化锰作为正极的电池以纽扣型为主，已成为计算器、钟表、传呼机、内存备份等不可缺少的电源。

表1 市场销售的由溶胶-凝胶法制造的产品

锂 钠 铝 锌 铁 镉 铅 氢 标准电极电位/V -3.05 -2.71 -1.66 -0.76 -0.44 -0.40 -0.13 0 密度/kg·m-3 530 970 2700 7140 7850 8650 11400 重量放电容量密度/Ah·kg-1 3860 1170 2980 820 960 480 260 26600 体积放电容量密度/Ah·dm-3 2060 1130 8050 5860 7550 4120 2940 锂电池具有以下突出的优点：（1）能量密度大；（2）电压高；（3）使用温度范围宽广；（4）自放电少（保存特性好）。由于以上这些优点，许多研究机构都开始尝试将其制成可充电电池。但是，要做成锂离子可充电电池，必须克服以下障碍：

（1）尽管小电流放电时能量密度高，但高负荷放电（大电流放电）时能量密度下降； （2）急速充电（大电流充电）时循环寿命变短；

（3）小电流放电时循环特性非常差。因此，高能量密度和循环特性发生冲突； （4）安全性，特别是反复充放电时，电池的安全性存在问题。

这些问题，都是由于负极Li的形态伴随着充放电发生了变化。金属Li放电时成为Li离子溶解在电解液中，反之充电时电解液中的Li离子变成金属Li析出。这样析出的Li不是以平滑的板状结构而是以针状结晶的形式长大。就是这种所谓的树枝状结晶，成为导致安全问题和容量劣化的一个原因。

为了解决这个问题，就必须有效抑制树枝状结晶的发生。为此，可以考虑使用能吸收Li的物质作为负极，充电时，移动到负极的Li离子能被吸收。在尝试了Al、伍德合金、碳等材料后对比发现，碳作负极比较合适。

下面用具有代表性的碳材料——石墨为例来说明。石墨有如图1所示的层状构造，在层间可以插入各种原子和基团，称为插层，插入形成的化合物叫石墨层间化合物（GIC）。我们知道，石墨和Li形成成分为C6Li的石墨层间化合物，在适当的电解液中还可以通过电化学方法生成Li-GIC。也就是说，在含有Li的电解液中用石墨作为负极材料进行电解时，Li插入石墨层间，那么用电化学方法也可以从层间将Li脱出。用Li-GIC作为负极时，Li的插入反应相当于充电，Li的脱出反应相当于放电。

图1：硬碳、石墨的构造模型图

锂离子可充电电池一般使用钴酸锂（LiCoO2）作为正极活性材料。这种化合物是层状化合物，在CoO2组成的层间含有Li，和Li-GIC电极一样，层间的Li可以从石墨层间插入也可以从石墨层间脱出。对于整个电池来说，充电时Li从LiCoO2脱出，而插入石墨层间；放电时从石墨层间脱出，而插入LiCoO2。化学分析表明，正极及负极中的

Li是离子态的，LIB中不存在金属Li，枝状结晶偏析引起的问题就不会发生。 锂离子可充电电池具有以下特征：（1）初始开路电压4.1V~4.2V，平均工作电压3.6V~3.7V，电压高；（2）自放电率很小，在常温下每月10%，是镍镉电池、NiMH电池的1/2以下；（3）相比镍镉电池和NiMH电池，记忆效应（在满充电或者近乎满充电状态长时间保存后电池的可放电时间缩短现象）非常小；（4）能量密度大，现在达到300Wh/dm3~350 Wh/dm3，125Wh/kg~145 Wh/kg，且还在继续增加；（5）循环特性好。

三．正极活性材料

锂离子电池正极材料一直是限制锂离子电池发展的影响因素，和负极材料相比，正极材料能量密度和功率密度低，并且容易引发锂离子电池的安全性隐患。 锂离子电池的正极材料主要为：

（1）嵌锂过渡金属氧化物，主要针对锂镍氧体系、锂锰氧体系和钒氧化合物以及其衍生物以取代成本较为昂贵的LiCoO2，这类材料具有较高的化学电位，并且是具备拓扑化学反应特征的插层化合物，一般此类化合物为层状结构或尖晶 …… 此处隐藏：4359字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……