锂离子电池正极材料的研究与应用现状探究

（江苏凯力克钴业股份有限公司, 江苏 泰兴  225404）

摘  要：我国锂离子电池的发展情况备受瞩目，它不仅在传统的电器便捷市场上稳步发展，在电源储能电池方面的发展也是受到了人们的普遍关注。锂离子电池的发展方向依然是高密度能量、高密度功率。本文围绕着锂离子电池正极材料的研究与应用介绍了锂离子电池的生产需求发展现状，锂离子电池选择正极材料的要求，锂离子电池正极材料的主要类型以及特性，锂离子电池正极材料的应用方法，锂离子电池性能发生的改变以及锂离子电池正极材料的发展前景。

关键词：锂离子电池；正极材料；研究与应用

1  锂离子电池的基本化学反应原理

锂离子电池的研究基础是二次对锂的电池研发，属于一种创新型的可以进行充电的电池。锂离子负极的活性材料物质是将锂离子解吸或者是吸入的碳素原料；锂离子正极的活性材料物质是能够使锂离子解吸或是吸入同时包含锂离子的氧化物金属，根据以上的内容实行化学反应的基本原理，制作成利用电解液是有机溶液的可以进行充电的新型电池。电池进行充电或是放电时，锂离子被正负极反复的实行解吸或是吸收，所以得名为锂离子电池。锂离子电池的主要组成部分是正极和负极，电解溶液和隔膜。发生的化学反应是下面的公式：

2  锂离子电池选择正极材料的要求

锂离子电池属于一种新型的电池应用技术。主要特点是体积小、重量轻、容量高，不会对环境产生危害，这种新型电池主要被运用在游戏机CD、手机、便携式照相机、笔记本计算机等一些体积比较小的电器，这些小型家用电器的快速发展，人们对锂离子电池的需求也就越来越多。

锂离子电池正极材料应当符合以下条件：1.充放电位需要在规定的电位范围之内，很好的相容于电解质的液体中；2.锂离子电极动力的整个过程要保持温和状态；3.具备极高的可逆性质；4.保持良好的稳定性能在全锂化的情况下。锂离子电池的原料价钱便宜并且容易获得；5.锂离子的电池制作工艺操作简单。

锂离子电池正极材料的主要类型以及特性

当今已经出现了很多种锂离子正极电池的制作材料，根据锂离子化学材料的构成，锂离子电池正极主要构成材料包括嵌锂金属氧化物、金属的氧化物、金属的硫化物以及其他的正极锂离子材料，锂离子商品电池主要用到嵌锂过渡的金属氧化物。

3.1 锂钴层状氧化物

锂离子电池应用最广泛的，使用工艺最早的就是锂钴层状氧化物。这种材料主要是具备可逆性、一定放电的容量、充放电的工作效率和稳定的电压等特性，各种状态都非常良好。所以这种正极电池原料进入市场之后，几乎垄断了整个电池原料市场。因为钴是一种比较缺乏的自然资源，生产成本比较昂贵，迫切需要研发更多的容易获得的便宜原料，出现了很多嵌锂金属氧化物的过渡。

3.2 锂镍层状氧化物

这种氧化物也是最近出现很多的原料。钴的性质同镍很相似，镍的成本却比钴便宜很多。这样氧化物原料不会同电解质构成发生敏感状况，对周围环境也不会产生污染，自放电的工作效率很低，不会限制过充放电。镍的自然资源也是比较丰富的，价格相对便宜一些，未来替代钴成为锂离子电池原料是有很大可能性的。目前制成的锂镍层状氧化物还是缺乏稳定性无法用做锂离子电池原料。制成的锂镍氧化物不能遵照化学的计量比例，从微观构成上分析镍原子所处的位置是锂离子层，这样的位置结构就造成锂的扩散数值减少了，同时还缩减了电极上的容量，因为平衡氧的分压比较高，造成了不稳定状态的缺锂类型的化合物，这样的化合物结合了有机溶剂之后极易发生危险。锂离子电池也会产生安全问题。根据以上的情况分析，锂镍氧化物原料的使用还需要进一步研究。

3.3 锂锰尖晶石型氧化物

锰的性质不同于钴和镍，锰是不能形成结构稳定的锂锰化合物，可是却能合成尖晶石锂锰化合物。尖晶石类型的化合物研发依据是汽车混合动力使用的锂离子正极电池原料，它的容量处于高倍率时会受到一定的牵制，可是这种材料处于高温情况下，在满电荷时会发生自放电的现象。这个问题可以使用电解质技术来进行解决。尖晶石的使用中，锰能够被锂替代得到比较稳定的结构。

这种原料很难被广泛的用于锂离子正极的电池材料，不仅因为这种原料拥有较低的容量理论，还因为其拥有比较差的循环特点，尤其是处于温度比较高的环境中容量极易发生衰退。容量发生衰退的关键是因为变化了的尖晶石构造。锂锰化合物尖晶石在进行充放电时发生了姜-泰勒变形，具体是指尖晶石出现了畸变，同时伴有非常明显的体积改变，构成尖晶石的比例增长了16%，最终尖晶石的整体构成出现了塌陷现象，特别是处于放电的平台尾端时候，因为畸变了的四方晶体系和立方晶体系不能很好的兼容，这样对结构体系整体性产生了很大的破坏，同时影响了结构之间的接触，锂离子之间的扩散和导电性也受到了影响，容量随之被损害。锂锰氧化物结构的稳定依赖于离子杂质，这个方法通常被当做是尽量避免容量发生衰减的关键操作，挑选的离子杂质会对掺杂的结果产生影响，通常情况下使用相对稳定以及比较小的化合价的阳离子，代替构成尖晶石中的一部分锰离子，这样便降低了锰离子的部分含量，使姜-泰勒变形现象得到了抑制。

3.4 磷酸盐的橄榄石类型

橄榄石材料类型1997年被发现，尤其是研究出化合物之后，这种化合物的主要特性是成本低廉，元素较多，与此同时还不会对环境造成威胁，这种化合物成为了锂离子电池原料的最大竞争者，储存锂离子的电化学能量上也发挥了关键作用。该种类型被组装成电池释放的电压是3.4伏，同时进行了上百个循环工作之后并没有发现明显的容量衰减现象，它的主要特性明显要高于以上介绍的几种锂离子原料。检测充放电的试验中也证明了具备优良的稳定性能，是发展前景非常理想化的一种锂离子正极放电原料。

3.5 硅酸盐氧化物原料

硅酸盐作为锂离子电池的正极原料，经过研究证明它的倍率特性同磷酸原料非常相近，只是能量和质量的比例要稍稍低于磷酸原料，可是假如适当的改良原料制作方法，从制作锂离子正极电池原料工艺上分析硅酸盐仍然可以有一席之地。大量的研究数据表明硅酸盐化合物制作的锂离子正极电池拥有非常优越的倍率性质以及相对的稳定特性，实用能力也非常高。同时硅酸盐化合物还可以获取很高的容量以及大约2.8伏的中级电压，可是也存在着问题，比如容易造成非晶化，整体的循环性质比较差。经过掺加铁锰，能够有效的改变容量和循环性能，还是需要进一步的研究才能进行实际应用。可能是因为硅酸盐的稳定性比较差的原因，致使硅酸盐的构造发生互相的转化，今后的长期发展方向依旧是努力提升其稳定性质。具有较高密度能量的化学源系统在一定程度上也会受到正极系统的发展影响。除了研究新型的电解质电极原料之外，电化学系统的动力学电极过程也是人们未来进一步研究的关键。

 4  锂离子电池正极材料的应用方法

锂离子正极电池原料经常使用的制作方法就是固相反应方法。这种方法几乎涵盖了整个电极原料的制作，根据电极反应时候产生的温度可以具体归为两种，高温和低温的固相反应方法。可是这种方法也存在着相对的局限性质，没有办法混合的非常均匀，这项技术水平还是有限制的。所以我们还可以采用另外的方法将电极原料的电化功能有效提升，主要是合成软化学的方法。我们使用水热方法进行电极原料的制备。我们知道很多的正极电池原料都是可以采用这个方法，以磷酸盐氧化物为例介绍。首先要把含有锂和铁源化合物加入元素的化合物进行充分混合，反应器的温度是5-120℃，同时进行密闭的搅拌，通过洗涤和过滤以及烘干之后，获得了纳米的前躯体，紧跟着将这个物质放进高温的炉里，处于非空气的状态中，在500-800℃的恒定温度下实行焙烧，最终制备出了磷酸亚铁锂的粉末。

 5  锂离子电池性能发生的改变

研究锂离子电池的进程非常快速，那么锂离子电池的特性也得到了突飞猛进的改变。

5.1 锂离子电池的容量的改变

我们使用的锂离子电池的容量正在以10年前进一步的速度提升着，我们分析第一个锂离子电池的容量大概是600毫安时，直到10年之后锂离子电池的容量增长到了1350毫安时。现今锂离子电池2600毫安时的容量已经成为了主力军，依据这个发展形势，相信不久的未来3.6安培小时的锂离子电池也会出现在市场中。

5.2 锂离子电池的倍率特征的改变

动力学的知识已经在锂离子电池上面得到了广泛应用，并且日趋成熟，锂离子放电的倍率也正在不断的刷新着历史，锂离子15C的电池更加频繁的用在了电动机器之中，在市场中占有的比例也是越来越大。

5.3 锂离子的充电特征的改变

锂离子应用动力车研究的重点就是迅速充电，就当前的情况开看，迅速充电发展是非常快的，5-10分钟的时间，锂离子电池就已经充了90%，商业化发展的可能性也越来越大。

6  锂离子电池正极材料的发展前景

锂离子电池未来的发展方向是成本最低、性能最高、安全保险、保护环境。新能源的重要组成部分就是锂离子电池，它拥有着非常突出的优势，与此同时还是存在着一些问题需要逐渐进行改变。我们根据实际情况可以得出，伴随着不断深入的锂离子电池研究，在分子基础之上研究出来的多种规整性的结构以及伴有复合构成的锂离子电池正极原料与配合使用的电解质溶液，这些成果都会不断的改进锂离子的发展。在未来的很长时间内，锂离子电池的市场发展情况是最好的。

参考文献

[1] 孔令丽，高俊奎，孙杰，苏志江. 室温离子液体在锂离子电池中的应用[J] . 电源技术，2010，（11）.

[2] 付文莉. 锂离子电池电极材料的研究进展[J] . 电源技术，2009，（9）.

[3] 张兴明. 浅谈锂离子电池材料的新发展[J] . 科协论坛，2008，（3）.

[4] 许寒，郭西风，桑俊利 . 锂离子电池正极材料磷酸铁锂研究现状[J] . 无机盐工业，2009，（3）.

[5] 陈高明，胡立新，王超 . 锂离子电池电解液添加剂的研究发展[J] . 能源研究与管理，2011，（2）.

       来源：化学工程与装备-官方网站-创刊于1972    2022年第1期  在线投稿  >>