鋰電池正極材料的制備和研究進展

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1、鋰電池正極材料的制備和研究現(xiàn)狀摘要：綜述了各種鋰電池正極材料的制備方法和研究現(xiàn)狀，重點對聚陰離子型正極材料的結(jié)構(gòu)特點，合成方法，電化學性能及改善材料電導率的各種方法及其機理進行了總結(jié)和探討。關鍵詞：鋰電池正極材料聚陰離子電化學性能SynthesisandProgressinResearchonCathodeMaterialsforLithium-ionBatteriesAbtract:Synthesismethodsandrecentprogressonthecathodematerialsforlithiumionbatteries

2、wasreviewed，Emphasiswasplacedonthediscussionofthestructure,synthesismethodsandtheelectrochemicalbehaviorsofthepolyanion-typecathodematerialsandhowtoimprovetheirlowelectronicconductivity.Keywords：lithiumionbatteriescathodematerialspolyanionelectrochemicalbehaviors鋰離子電池是一

3、種新型的新綠色二次電池，由于其電壓高、容量高、體積小、重量輕、循環(huán)壽命長、安全性能好，無記憶效應等優(yōu)點已廣泛應用于各類便攜式電子產(chǎn)品(移動電話、PDA、筆記本電腦、ipod等）中，并將成為電動汽車和混合動力汽車的主要動力源，被認為是最有競爭力和最有發(fā)展?jié)摿Φ亩坞姵豙1-3]。而鋰離子二次電池性能的決定性因素是正極材料。電池的工作電壓（鋰離子在正極材料中的脫出-插入電壓）、工作時間（正極材料的能量存儲密度和充放電循環(huán)屬性）、穩(wěn)定性（正極材料在各種工作條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性）等重要性質(zhì)都由正極材料決定。鋰離子電池正極材料不僅作為電極材料參與

4、電化學反應，而且是鋰離子源。所以，研制高性能的鋰離子二次電池的關鍵是得到高性能的正極材料。目前，鋰離子電池的發(fā)展方向一方面是對現(xiàn)有材料進行改性以提高其電化學性能，另一方面是新型征集材料的研發(fā)。當今研究較多的正極材料主要是過渡金屬氧化物和聚陰離子型。特別是后者，因其具有成本低廉、無毒性、循環(huán)性能好等特點，已成為世界各國科研人員的研究熱點之一[4-5]。本文綜述了這兩大類正極材料結(jié)構(gòu)和性能的特點及其研究現(xiàn)狀。1過渡金屬氧化物LiMO2(M=Co，Ni，Mn)鋰離子二次電池一般選用過渡金屬氧化物為正極材料。一方面過渡金屬存在混合價態(tài)，電子導

5、電性比較理想，另一方面不易發(fā)生歧化反應。過渡金屬氧化物是鋰與過渡金屬形成的嵌入式化合物，是目前鋰離子電池中應用的主要正極材料。1.1LiCoO2作為鋰離子電池正極材料的鋰鈷氧化物（LiCoO2）具有電壓高，放電平穩(wěn)，適合大電流放電，比能量高，循環(huán)性好的優(yōu)點[6-7]。其二維層狀結(jié)構(gòu)屬于α-NaFeO2型,適合鋰離子嵌入和脫出。在理想的LiCoO2層狀結(jié)構(gòu)中，晶格參數(shù)a=2.816(2),c=14.08(1)，O2-是面心立方緊密堆積排列，Li+和Co3+交替占據(jù)立方密堆的氧八面體間隙層的3a和3b位，02-占據(jù)6c位。在充放電過程中，

6、鋰離子可以從所在平面發(fā)生可逆的嵌入/脫嵌反應，由于鋰離子在強鍵合的CoO2層面進行二維運動，鋰離子電導率和擴散系數(shù)均較高。自從1990年LiCoO2被索尼公司率先使用而步入市場以來,其放電容量、可逆性、充放電效率、電壓的穩(wěn)定性能均很好，一直處于壟斷地位[8]?，F(xiàn)在市場上流通的LiCoO2主要有兩種類型，一類是球徑為5～10mm的材料,材料的堆積密度較高,現(xiàn)在主要用在筆記本電腦的圓筒型高比能量電池;另一類是由球徑為1～2mm的顆粒組成二次球徑5～10mm的新型材料,這類材料主要用于移動電話用的鋰離子電池[9]。LiCoO2作為鋰離子電池

7、正極材料,其工藝研究已較為成熟，在短期內(nèi)仍將占有市場，但由于金屬鈷屬于戰(zhàn)備物資，鈷資源匱乏，LiCoO2價格昂貴且有毒性，大大限制了鈷系鋰離子二次電池使用范圍，尤其是在電動汽車和大型儲備電源方面。隨著廉價高性能正極材料的開發(fā)，LiCoO2必將被逐漸取代?，F(xiàn)今LiCoO2的合成方法主要有高溫固相合成法和低溫固相合成法，還有草酸沉淀法、溶膠凝膠法、有機混合法等軟化學方法及模板法。在這里主要介紹高溫固相合成法和低溫固相合成法。高溫固相合成法以Li2CO3和CoCO3為原料，按Li/Co的摩爾比為1∶1配制,在700～900℃下，空氣氛圍中灼

8、燒而成。也有采用復合成型反應生成LiCoO2前體,在350～450℃下進行預熱處理，再在空氣中700～850℃下加熱。在合成之前的預處理工藝能使晶體的生長更為完美，從而獲得具有高結(jié)晶度層狀結(jié)構(gòu)的LiCoO2，提高了電池的