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鋰離子二次電池中材料的應(yīng)用

文章出處:江蘇鳳谷節(jié)能科技有限公司 www.dnbgl.com責(zé)任編輯:江蘇鳳谷節(jié)能科技有限公司 www.dnbgl.com人氣:-發(fā)表時(shí)間:2018-04-25 08:00【

鋰離子二次電池通常包含隔膜、正極、負(fù)極及有機(jī)電解液等基本材料。多種新型材料的優(yōu)化組合,使得鋰電子電池逐步成為手機(jī)、手提式電腦等微型移動(dòng)電子設(shè)備的主要電能存儲(chǔ)設(shè)備。此類(lèi)新型材料的有效應(yīng)用大大改進(jìn)了鋰離子電池的性能。因此,加強(qiáng)有關(guān)鋰離子二次電池中材料的應(yīng)用探究,對(duì)于改善鋰離子電池材料的應(yīng)用質(zhì)量具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

一、鋰離子電池工作原理

鋰離子嵌入式金屬氧化物與層狀石墨等正負(fù)極材料的應(yīng)用,使鋰離子電池在商業(yè)應(yīng)用中得到了廣泛推廣。此種電池可看作為一類(lèi)正負(fù)電極間的Li+濃差電池。在充電過(guò)程中,正極金屬氧化物材料中生成的Li +會(huì)嵌入至負(fù)極石墨片層中,這時(shí)負(fù)極具有較高的Li+濃度,而正極    L i +濃度相對(duì)較低;在同一時(shí)間電子會(huì)利用外電路由正極集流體轉(zhuǎn)換至負(fù)極集流體,以確保電池體系的整體電荷平衡。在放電過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)與充電相反的電化學(xué)反應(yīng),負(fù)極石墨片層中生成的Li+會(huì)嵌入至正極金屬氧化物材料中,這是正極具有較高的Li+濃度,而負(fù)極Li+濃度相對(duì)較低。在正常使用條件下,充放電時(shí)正負(fù)極間的Li+會(huì)重復(fù)發(fā)生嵌入脫出反應(yīng),但僅會(huì)造成晶胞體積的細(xì)小變化,且不會(huì)影響材料結(jié)構(gòu),所以鋰離子二次電池具有十分優(yōu)良的循環(huán)性能。

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二、鋰離子二次電池中材料的應(yīng)用

1. 正極材料

(1)磷酸鹽系正極材料LiMPO4

LiMPO4是一類(lèi)具有較高的循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)良安全性能的鋰離子電池正極材料,其中M主要為V、Mn和Fe等元素。①磷酸釩鋰:相比磷酸亞鐵鋰,包含單斜結(jié)構(gòu)的磷酸釩鋰,其不但安全性能好,且Li+擴(kuò)散系數(shù)、能量密度及放電電壓更高。磷酸釩鋰包含單斜與斜方兩種Nasicon晶系結(jié)構(gòu)。而單斜晶系Li+嵌脫性能更高,所以其電性能要比斜方晶系更好。因磷酸釩鋰屬于三維結(jié)構(gòu),在其空穴內(nèi)的Li+間隔相對(duì)較遠(yuǎn),造成材料的電子導(dǎo)電率僅為10-7S•m-1,要遠(yuǎn)低于LiMn2O4和LiCoO2,所以該材料的高倍率充放電性能受到較多限制。當(dāng)前研究重點(diǎn)主要集中于利用改性材料來(lái)改善材料的導(dǎo)電性能,提升磷酸釩鋰的高倍率充放電能力,以滿(mǎn)足鋰離子電池發(fā)展的需要。如某技術(shù)單位對(duì)摻入Ti后的磷酸釩鋰進(jìn)行研究返現(xiàn),加入適量的Ti可大幅度提升磷酸釩鋰的離子導(dǎo)電性能,且不會(huì)減小材料的能量密度。②硝酸亞鐵鋰,其屬于一種橄欖石結(jié)構(gòu),鐵離子在Pmnb正交空間群的Z字鏈上,鋰離子則位于直線(xiàn)鏈上,各種鋰離子均可嵌脫至層狀結(jié)構(gòu)的FePO4上,其比容量可達(dá)到170mAh/g,與其他幾類(lèi)正極材料比具有熱穩(wěn)定性高、無(wú)污染、安全、成本低、資源豐富等優(yōu)點(diǎn),因此在鋰離子動(dòng)力電池中應(yīng)用極為廣泛。但由于其能量密度和Li+擴(kuò)散系數(shù)較低,在一定程度上影響了該類(lèi)電池的大批量生產(chǎn)應(yīng)用。

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2. 負(fù)極材料

(1)磷基材料,在充放電電流密度為100Ah/g、充放電截止電壓區(qū)間為0.55V~2V條件下,ZnP2/C納米復(fù)合材料容量可保持在380mAh/g,可重復(fù)循環(huán)100次;NiP2用于全固態(tài)電池制備,容量可達(dá)到1000mAh/g,重復(fù)6圈后容量降低到800mAh/g,后階段容量基本固定在600mAh/g左右。

(2)硅基材料,此種材料的Li嵌入容量較高,可達(dá)到4200mAh/g,但材料循環(huán)性能相對(duì)受限,產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍處于探索階段??刹捎脫郊臃墙饘倥c金屬的合金化方式改善硅基材料的電化學(xué)性能。摻加非金屬方面,研究發(fā)現(xiàn)利用真空沉積方式可加工制成摻加P、B的硅基負(fù)極材料,摻入1.02%P的在循環(huán)300次后容量可固定在1400mAh/g左右,摻入0.1%B的在循環(huán)300次后容量可固定在1000mAh/g左右。在摻加金屬方面硅鋁合金薄膜材料具有良好的改良性能,其在0.5℃條件下進(jìn)行300次循環(huán)容量可保持高于80%,具備更優(yōu)越的電化學(xué)性能。

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