锂离子电池材料的研究进展论文

锂离子电池的研究进展摘要 介绍了锂离子电池的电化学反应原理、一般特性及电池正极材料、负极材料、电解质材料的研究进展，同时也介绍了目前存在的问题和发展前景。关键词 锂离子电池，研究进展，展望R&D of Li-ion secondary batterySun Chunwen(Department of Applied Chemistry,Tianjin University,300072)Abstract The fundamental principle of electrochemical reaction of Li-ion battery,its general properties and the progress of researches on materials for cathode,anode and electrolyte are introduced in this the same time its existing problems and prospects are also words Li-ion battery,research progress,prospect自从1859年Gaston Plante提出铅酸电池概念以来，化学电源界一直在研制新的高比能量、长循环寿命的二次电池。1990年日本索尼公司率先研制成功锂离子电池〔1〕。它是把锂离子嵌入碳中形成负极，取代传统锂电池的金属锂或锂合金作负极。负极材料是石墨和焦炭等碳材料。目前的正极材料主要是LiCoO2，其次是LiNiO2和LiMn2O4。电解质为LiAsF6+PC(碳酸丙烯酯)、LiAsF6+PC+EC(碳酸乙烯酯)及LiPF6+EC+DMC(碳酸二甲酯)。隔膜为PP微孔薄膜、PE微孔薄膜或两者双层。锂离子电池既保持了锂电池高电压、高容量的主要优点，又具有循环寿命长、安全性能好的显著特点，在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等领域展示了良好的应用前景和潜在的经济效益，是近年来受到广泛关注的研究热点。1 锂离子电池的电化学反应原理及特性这种电池的正负极均采用可供锂离子(Li+)自由嵌脱的活性物质，充电时，Li+从正极逸出，嵌入负极；放电时Li+则从负极脱出，嵌入正极。这种充放电过程，恰似一把摇椅。因此，这种电池又称为摇椅电池(Rocking Chair Batteries)。以LiCoO2为正极材料，石墨为负极材料的锂离子电池，充放电反应式为锂离子蓄电池的一般特性〔2〕：(1)体积及质量的能量密度高；(2)单电池的输出电压高，为 V；(3)自放电率小；(4)在60℃左右的高温下也可以使用；(5)不含有毒物质等。2 锂离子电池的研究进展研究锂离子蓄电池的关键技术是采用能在充放电过程嵌入和脱嵌锂离子的正、负极材料及选用合适的电解质材料。 正极材料作为正极材料的嵌锂化合物是锂离子的贮存库。为了获得较高的单体电池电压，应选择高电势的嵌锂化合物。一般而言，正极材料应满足〔3～7〕：(1)在所要求的充放电电位范围内，具有与电解质溶液的电化学相容性；(2)温和的电极过程动力学；(3)高度可逆性；(4)全锂化状态下在空气中稳定性好。目前研究的热点主要集中在层状LiMO2和尖晶石型LiM2O4结构的化合物上(M=Co、Ni、Mn、V等过渡金属离子)。能作正极活性物质的主要有LiCoO2、LiNiO2和LiMn2O4等。最早用于商品化的锂离子电池中的正极为LiCoO2，它属于α-FeO2型结构。其合成方法是将Li2CO3和CoCO3按摩尔比Li/Co=1∶1的比例混合，在空气中700℃灼烧而成〔8〕。其可逆性、放电容量、充放电效率、电压的稳定性等性能均很好。因此，目前正极材料主要采用LiCoO2，或在其中再添加Al、In等元素的复合钴酸锂。但是，由于钴材料成本较高，资源缺乏，因此，必须开发少用钴、不用钴或廉价易得的材料，如用镍或锰来取代钴，这样电池单价可大大降低。LiNiO2是继LiCoO2后研究较多的层状化合物，一般是用锂盐和镍盐混合在700～850℃经固态反应制备。镍与钴的性质相近，价格比钴低廉。LiNiO2目前的最大容量为150 mAh/g，工作电压范围为～ V，不存在过充电和过放电的限制，Ohzuku〔9〕认为它是锂离子电池中最有前途的正极材料之一。但由于LiNiO2的制备中存在许多问题，所以LiNiO2的实际应用还受到限制。例如，制备三方晶系的LiNiO2时容易产生立方晶系的LiNiO2，特别是当热处理温度大于900℃时，LiNiO2将全部以立方晶系形式存在，而在非水电解质溶液中，立方晶系的LiNiO2无电化学活性。尖晶石型的LiM2O4(M=Mn、Co、V等)中M2O4骨架是一个有利于Li+离子扩散的四面体和八面体共面的三维网络。其典型代表是LiMn2O4。因为在加热过程中易失去氧而产生电化学性能差的缺氧化合物，使高容量的LiMn2O4制备较复杂，现在常用的合成方法有多步加热固态合成法、溶液-凝胶法、沉淀法等。如何克服容量在循环时下降的问题是目前LiMn2O4研究的焦点。因此，尖晶石型特别是掺杂型LiMn2O4的制备及结构与性能的关系仍是今后锂离子电池电极材料研究的方向。 负极材料锂离子电池作为一种新型的高能电池在性能上的提高仍有很大的空间，而碳材料性能的提高是其中的主要关键。负极碳材料应具备大容量、良好的充放电特性、高度可逆的嵌入反应、热力学稳定以及对电解液稳定的性能。1973年就有人提出以碳作为嵌锂材料，但直到1990年索尼公司以石油焦炭作为负极，才使锂离子电池的研究进入实用化阶段，从而掀起了世界范围的研究热潮。用于锂离子电池的碳材料主要有以下几种，见下表。目前研究的碳负极材料主要有石墨、冶金焦炭、石油焦炭等。其中石墨具有层状结构，因此其层与层之间有可能嵌入原子或原子团，形成碳层间化合物。石墨用作锂离子蓄电池的负极，可用充电的方法在碳层之间嵌入锂离子，用放电的方法脱嵌锂离子。用嵌锂石墨作为负极时，研究的焦点主要有：不可逆容量损失的机理和抑制方法，石墨结构与电化学性能的关系等。石墨的结晶度、微观组织、堆积形式等都影响其嵌锂容量。有研究发现，部分无序排列的存在是石墨嵌锂容量小于理论容量的原因，通过调节热处理温度控制石墨的堆积形式是获得高容量的有效手段。日本本田研究与发展公司利用特殊处理方法解决了锂离子电池比容量低的问题。具体做法是将锂(分子)置于有序石墨板之间，材料经聚亚苯基(PPP)热处理后，再将高度取向的石墨经高压(5 000～6 000 MPa)热解。用该方法得到的石墨作负极，使负极达到了1 116 mAh/g的高比容量〔10〕。1991年日本NEC的Iijima用真空电弧蒸发石墨电极时，发现了具有纳米尺寸的碳多层管状物——纳米碳管。此后，引起了人们广泛的兴趣和深入的研究。纳米碳管具有尺寸小、机械强度高、比表面大、电导率高和界面效应强等特点，其顶端开口填充已用于高效催化载体、吸波材料等。近年来，已把碳管用于锂离子电池中作为负极材料，研究发现它具有高的可逆容量等优异的电极性能。目前，对碳电极材料的研究十分活跃，今后仍是锂离子电池研究的重点。 电解质材料主要采用锂盐和混合有机溶剂所组成的材料，如LiClO4/PC(碳酸丙烯酯)+DME(二甲基乙二醇)、PC+DME、PC+DME+EC(碳酸乙烯酯)、EC+DEC(碳酸二乙酯)、LiAsF6/EC+THF(四氢呋喃)等。有些专家认为，LiClO4是强氧化剂，使用很不安全。PC在蓄电池中因反应性强，易进入碳夹层，用于锂离子电池也不可取。LiPF6是适宜的用盐，1～2 mol/L LiPF6/EC+DMC是理想的电解液〔11〕。电解质的稳定性也是当前研究锂离子蓄电池的一个关键技术。另外，提高锂离子电池的容量、电极循环寿命、电池的安全性、减小自放电和实现快充仍是今后锂离子电池研究的关键技术。3 展望近年来锂离子电池作为一种新型的高能蓄电池，它的研究和开发已取得重大进展。但由于锂离子电池是一个涉及化学、物理、材料、能源、电子学等多学科的交叉领域，研制中还存在许多问题。运用传统的电化学研究方法结合现场、非现场的谱学方法等多种检测手段，对锂离子电池体系进行评价、优化设计，将会有力地推动锂离子电池的研究和应用。锂离子电池将是继镍镉、镍氢电池之后，在下世纪相当长一段时间内市场前景最好，发展最快的一种二次电池。参考文献1 Nagaura T,Tozawa Batts Sol Cells,1990(9):209～2172 李春鸿.电池，1996，26(6)：286～2903 Miure K,Yamada A,et Acta,1996,41:249～2564 Gao Y,Dahn J Soc,1996,143:100～1145 Saidi M Y,Barker J,et Acta,1996,41：199～2046 Rougier A,Gravereau P,et Electrochem Soc,1996,143:1168～11757 周恒辉，慈云祥等.化学进展，1998，10(1)：85～948 金属时评(日)，1993(1525)：29 Ohzuku T,Ueda A,et Acta,1993,38:1159～116710 任学佑.电池，1996，26(1)：38～4011 Main Trends in Li-Ion Battery,Techno Japan,1994,27(3):58～60

使能量密度达到现有任何电池的三倍，研究显示金属催化物在提高电池效率上起到重要作用。该校机械工程和材料科学与工程副教授YangShao-Horn表示，许多研究团队如今正致力于锂-空气电池的研究，但目前还缺乏对何种电极材料能够促进电池内部电化学反应发生的理解。Shao-Horn和其团队成员在4月1日出版的《电化学与固态快报》上报道了其研究成果，在锂-空气电池中使用金或铂金电极作为催化剂具有比单一碳电极高得多的反应活性和效率。此外，这项研究也为进一步研究寻找更佳的电极材料，如金和铂金或其他金属的合金材料或金属氧化物材料以及减少使用昂贵材料奠定基础。论文的第一作者、博士生Yi-ChunLu指出，研究团队开发了一种分析电池中不同催化剂活性的方法，现在可以基于这项研究来试验多种可能的材料，以确定控制催化剂活性的物理特性，最终能够预测催化剂的反应活动。锂-空气电池原理与锂离子电池类似，而后者目前是便携式电子产品使用的主要电源，而且在电动汽车电源的竞争中也占据了领先地位。但由于锂-空气电池使用了碳基空气电极和空气流替代锂离子电池较重的传统部件，因此电池质量更轻，这也使得包括IBM和通用汽车等大企业纷纷投身于锂-空气电池技术的开发当中。但锂-空气电池在成为可商用化产品之前还有一系列的问题需要解决，其中最大的问题是如何确保在经过了许多次的充放电过程后仍能保持其电力水平，可用在电动汽车或电子产品中。研究人员还需要详细研究充放电过程的化学问题，如产生了那些化合物，在哪里产生，以及它们之间如何相互反应等。Shao-Horn坦承，目前这方面的研究还处于初级阶段，部分企业将锂-空气电池研究视之为10年期的研发项目，但这是一个非常有前景的领域，如果能够克服许多科学和工程挑战，真正实现能量密度达到目前锂离子电池的两到三倍，将能够首先应用在便携式电子产品如笔记本电脑和手机上，降低成本后更可作为电动汽车电源。该项研究受到美国能源部的资助，MartinFamilySocietyofFellowsforSustainability和美国国家科学基金会也给予了支持。根据《日刊工业新闻》报道，日本旭化成株式会社和Central硝子株式会社两家企业正式参加美国IBMAlmaden Reseach Center正在进行的锂空气电池研究项目。按照该项目研究分工，旭化成将利用其掌握的先进膜技术，负责开发重要的有关膜部件；Central硝子负责开发新型电解液和高性能添加剂。研究小组计划到2020年实现锂空气电池的大量生产和推广应用。