锂离子电池材料探析

摘 要：锂离子电池是高效的能量转化和存储设备。锂离子电池材料对其性能有着直接的影响。现阶段，锂离子电池的正极材料主要有层状的钴酸锂（LiCoO2）、氧化镍锂（LiNiO2）、锰酸锂（LiMnO2）和磷酸铁锂（LiFePO4）等；负极材料主要有各种碳材料与一些非碳负极材料，如硅和钛酸锂（Li4Ti5O12）；电解液主要为非水系电解液；隔膜主要为聚烯烃隔膜。锂离子电池不同构成部分的材料，有着一定的发展、应用历程，对其进行探究，具有广泛的应用前景。

关键词：锂离子电池 正极 负极 隔膜 电解液 材料

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（c）-0126-02

随着经济的飞速发展，能源供需矛盾日益加剧。一些能源，如太阳能、地热、风能等，在空间分布上不平衡，导致有效利用难度较大。为了解决此类问题，能源转化和存储设备的研究受到越来越多的关注。锂离子电池就是能够实现能源高效转化和存储的设备之一，近年来锂离子电池的研究得到广泛开展。高功率、高容量的正负极材料是锂离子电池发展的关键，探索低成本、高能量密度的锂离子电池材料，成为了锂离子电池推广应用的必由之路。

1 锂离子电池概述

锂离子电池由正极、负极、电解液和隔膜等部分组成。锂离子电池正极能够为电池提供锂源，主要是含锂化合物[1]。锂离子电池充电的时候，锂离子会脱离正极材料，并受到内部电场的影响进入电解液，最后通过隔膜进入到负极材料当中。与此同时，电池的电子将脱离被氧化的正极材料，通过外电路进入负极材料，并发生还原反应，使得电能转化为化学能，进而存储于电池当中。锂离子电池放电的过程和充电的过程正好相反，从负极脱出的锂离子进入到电解液中，通过隔膜进入正极材料，通过外电路做功，电子把存储在电池中的化学能转化为电能。现阶段，锂离子电池的正极材料大多为含锂的过渡金属化合物，例如，橄榄石结构的磷酸铁锂、尖晶石型的锰酸锂和层状的钴酸锂等。锂离子电池的负极材料大多为石墨化碳材料。锂离子电池的电解液大多为碳酸二乙酯、碳酸二甲酯等的聚合物或有机溶液。

2 锂离子电池的电极材料

2.1 锂离子电池正极材料

目前，锂离子电池的正极材料包括三大类：聚合物材料、复合材料和无机材料[2]。其中，应用最广的是无机材料，其可以分为阴离子型材料和无机复合氧化物。复合氧化物又可以分为反尖晶石型、尖晶石型和层状型等。具体而言，锂离子电池的正极材料主要为层状的钴酸锂、氧化镍锂、锰酸锂和磷酸铁锂等。

其中，层状的钴酸锂是一种十分成熟的锂离子电池正极材料。层状的钴酸锂属于六方晶系，有着层状岩盐结构（α-NaFeO2）。层状的钴酸锂的理论比容量为274 mAh/g，但是其实际可逆比容量仅为140274 mAh/g。层状钴酸锂的有着500次以上的循环寿命，3.7 V左右的工作电压，充电和放电电压较为平稳，循环性能好、比能量高，适用于大电流充放电。此外，层状的钴酸锂容易制备，生产工艺相对简单，所以层状钴酸锂在目前的市场上仍然占有较大的份额。但是，因为钴是一种有毒物质，并且价格较高，抗过充电性较差，所以越来越多的替代层状钴酸锂的锂离子电池材料不断被研发出来。

尖晶石型的锰酸锂是有望代替层状钴酸锂的锂离子电池正极材料之一[3]。尖晶石型的锰酸锂属于Fd-3 m空间群，锂原子占据1/8四面体空隙8a位置，氧原子位于晶胞32e位置，锰原子占据八面体空隙16d位置。通过共面与共边，空的八面体与四面体相互联结，进而构成了锂离子扩散的三维通道。锂离子三维扩散通道使尖晶石型的锰酸锂有着良好的倍率性能，提高了材料的安全性。尖晶石型的锰酸锂的实际容量是120 mAh/g，理论容量是148 mAh/g，电位平台为4.1 V左右，可以达到500次以上的循环寿命。尖晶石型的锰酸锂的充电曲线有两个平台，其放电截止电压大于等于3.0 V。从20世纪90年代起，对尖晶石材料的研究就广泛的开展，锂离子在尖晶石结构中有着较好的迁移率，通过掺杂替换能够提高锂离子的电化学性能。像层状的钴酸锂一样，尖晶石型的锰酸锂和其掺杂衍生物成为了商业化的锂离子电池正极材料。

1997年，Goodenough教授提出了橄榄石结构的磷酸铁锂。之后，橄榄石结构的磷酸铁锂逐渐成为了锂离子电池正极材料研究的热点之一。橄榄石结构的磷酸铁锂属于Pmnb空间群，正交晶系，是一种六方密堆积结构。其理论比容量达170 mAh/g，工作电压是3.4 V，有着良好的循环性，容量衰减在几百周内都不明显。因为Fe元素较为丰富，所以橄榄石结构的磷酸铁锂作为锂离子电池的正极材料，成本较低。橄榄石结构的磷酸铁锂循环寿命长、安全性能好、结构稳定，是新一代锂离子电池正极材料的理想选择，能够有效地满足低成本、安全和环保等要求。但是，橄榄石结构的磷酸铁锂的稳定性与一致性较难控制，制备工艺相对复杂。

以上几种锂离子电池正极材料的容量较低，为了满足高能量密度、高容量的使用需求，富锂相正极材料的研究受到越来越多的关注。富锂相正极材料是由层状材料LiMO2（M=Co，Fe等）和LiMO3（M=Ti，Mn等）构成的固溶体。富锂相正极材料的研究应用为锂离子电池的发展打开了新的空间。

2.2 锂离子电池负极材料

负极材料是锂离子电池储存锂的主体，使锂离子在充放电过程中嵌入与脱出。目前，各种碳材料是已经发展较为成熟的锂离子电池负极材料，如焦炭、石墨化中间相碳微珠、改性石墨和天然石墨等。此外，一些非碳负极材料，如合金材料、锡基材料、硅基材料和氧化物等在近年来的应用也越来越广泛。

目前，硅和钛酸锂（Li4Ti5O12）是锂离子电池负极材料的重点研究对象。硅和钛酸锂是一种尖晶石结构，属于Fd-3m空间群，能够为锂离子提供三维扩散通道。硅和钛酸锂能够容纳三个电子，工作平台为1.55 V，其理论容量为175 mAh/g，其放电态的分子式是Li7Ti5O12。硅和钛酸锂具有较佳的循环性能，能够避免形成固体电解质界面膜，防止锂枝晶生长导致电池短路。所以在高倍率放电时，采用硅和钛酸锂作为负极材料的锂离子电池有着较高的安全性。又由于硅和钛酸锂无污染、成本低，是一种理想的锂离子电池负极材料。

3 锂离子电池电解液与隔膜

电解液和隔膜是锂离子电池的重要构成部分。锂离子电解液的合理选用对电池性能的影响较大。电解液具有传输锂离子的作用，能够减少锂离子电极材料之间的副反应。通常而言，锂离子电解液主要包括两大类：非水系电解液与水系电解液[4]。因为水的分解电压一般是1.23 V，造成较窄的水系电解液电化学窗口，所以锂离子电池选用的电解液为非水系电解液，也就是有机电解液。非水系电解液由非水有机溶液与电解质锂盐两部分构成。现阶段，常用的电解质溶剂是EC、DEC或DMC，电解质锂盐是LiPF6。非水系电解液具有较宽的电化学窗口与较稳定的电化学性能。在石墨负极表面，EC的分解物可以形成稳定的、致密的与有效的SEI膜。所以，非水系电解液能够较好的满足锂离子电池的需求。此外，为了提高电解液的某些性能，还可以适当加入一些功能添加剂。

锂离子电池的隔膜能够防止电池内部短路，将正极和负极隔开，同时，还能够传输锂离子，绝缘电子，所以锂离子在充放电过程中能够在电池正负极之间快速传输。锂离子电池隔膜的性能对电池的安全性能、循环性能、充放电容量和电池内阻等有着直接的影响[5]。一般而言，锂离子电池的隔膜越薄，就有着越高的空隙率，电池内阻也就越小，越容易使锂离子透过。高性能的锂离子电池隔膜应当具有以下特性：有较高的离子电导率，有良好的孔径与空隙率，锂离子能够轻易透过；电子绝缘性，物理上隔开正负极；有着良好的电化学稳定性，耐电解液腐蚀；有着较佳的力学性能，如拉伸强度、穿刺强度等，尽可能的薄；有着较好的电解液浸润性和较强的吸液保湿能力；有着较好的热稳定性、平整性与空间稳定性。现阶段，锂离子电池隔膜常用的是聚烯烃隔膜，如单层PP，单层PE，三层PP/PE/PP复合膜等。

4 结语

综上所述，与其他可充电电池相比，锂离子电池具有自放电低、循环寿命长、工作电压高及能量密度大等优点，是目前重要的新能源材料之一。锂离子电池由正极、负极、电解液和隔膜等部分组成，各个部分的材料对锂离子电池性能有着重要的影响。近年来，锂离子电池正负极材料、电解液和隔膜的开发研究得到了广泛开展，并且取得了较大的进展。例如，在正极材料研究方面，层状的钴酸锂是一种十分成熟的锂离子电池正极材料，但其有着一些缺陷，尖晶石型的锰酸锂是有望代替层状钴酸锂的锂离子电池正极材料之一，而富锂相正极材料是能够满足更高的能量密度、高容量的使用需求的材料。

参考文献

[1]黄可龙，王兆翔，刘素琴.锂离子电池原理与关键技术[M].北京：化学工业出版社，2010，1（3）：6-65.

[2]张呈乾.金属氧化物与纳米 FeSn2作为锂离子电池负极材料的研究[M].杭州：浙江大学，2007.

[3]陈亮，白莹杰，相升林，等.锂离子电池材料标准发展现状研究[J].标准科学，2012，7（16）.

[4]李媛，高虹，赵春英.锂离子电池材料在超级电容器中的应用[J].电源技术，2009，6（20）.

[5]刘伶，张乃庆，孙克宁，等.锂离子电池安全性能影响因素分析[J].稀有金属材料与工程，2010，5（15）.