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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划锂电池电极材料如何处理(共3篇)锂电池关键电极材料技术简介熊志高XX，金属0901，材料科学与工程学院摘要：电池种类繁多，本文中主要讨论二次电池的相关内容。本文搜集传统电池和锂电池的特性，通过二者的对比，简叙锂电池取代传统电池的原因。本文介绍锂电池的分类以及锂电池的工作原理，其中重点介绍锂电池电极材料的关键技术。电极材料种类多，但目前已经成熟应用的电极材料是LiCoO2，石墨。其他电极材料由于性能研究还未成熟，所以尚未投入实际生产应用。关键词：电极材料、锂离子电池、充电、碳材料。【1
2、】传统二次电池与锂离子二次电池的比较所谓二次电池就是能反复充电放电循环使用的电池。这里简单介绍传统二次电池是铅酸电池和镍镉电池。铅酸电池具有电动势大，操作温度广、结构简单、技术成熟，使用可靠等优点，是目前电动汽车常用电池，但比容仅为35WhKg-1,循环寿命约400次。镍镉电池比能可达到55Whkg-1,比功率200Wkg-1,循环寿命到XX次，但镉对环境污染，应用受到限制。锂离子电池高能量密度:锂离子电池的重量是相同容量的镍镉或镍氢电池的一半，体积是镍镉的40-50%，镍氢的20-30%。高电压:一个锂离子电池单体的工作电压为(平均值)。无污染:锂离子电池不含有诸如镉、铅、汞之类的有害金属物
3、质。不含金属锂:锂离子电池不含金属锂，因而不受飞机运输关于禁止在客机携带锂电池等规定的限制。循环寿命高:在正常条件下，锂离子电池的充放电周期可超过500次。无记忆效应:记忆效应是指镍镉电池在充放电循环过程中，电池的容量减少的现象。锂离子电池不存在这种效应。快速充电:使用额定电压为的恒流恒压充电器可以使锂离子电池在一至两个小时内得到满充。【2】锂离子二次电池工作原理这里以石墨为负极，以LiCoO2为正极，如图：电极反应如下。正极上发生的反应为LiCoO2=充电=Li1-xCoO2+XLi+Xe(电子)负极上发生的反应为6C+XLi+Xe=LixC6电池总反应：LiCoO?+6C=Li1-xCoO
4、?+LixC6在正极中，锂离子和钴离子各自位于立方紧密堆积氧层交替的八面体位置。充电时锂离子从八面体位置发生脱嵌，释放一个电子，Co氧化为Co；放电时，锂离子嵌入到八面体位置，得到一个电子，Co4+还原为Co3+。二在负极中，当里插入到石墨当中后，石墨结构与此同时得到一个电子。电子位于石墨的墨片分子平面上，与锂离子之间发生一定的静电作用，因此锂的实际大小比在正极中要大。【3】锂离子电池电极材料一正极材料作为正极材料的嵌锂化合物是锂离子电池中锂离子的“贮存库”。为了获得较高的单体电池电压,倾向于选择高电势的嵌锂化合物。一般而言,正极材料应满足: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
5、相容性;温和的电极过程动力学;高度可逆性;全锂化状态下在空气中的稳定性。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)。1.层状LiMO2化合物理想的层状LiMO2结构属三方晶系,离子以稍微扭曲的立方紧密堆积排列(图1),M原子处于涂成阴影的八面体层,而Li原子处于无阴影的八面体层。这类层状化合物作为锂离子电池的正极材料,关键是在Li+离子的脱嵌与嵌入过程中结构变化的程度和可逆性。(1)LiCoO2最早用于商品化的锂离子电池中的正极为LiCoO2,用Li2CO3与CoCO3等钴盐混合在900烧制而成,但其容量较低,循环性能较
6、差。Yoshio等用钴的有机酸络合物作为原料制备的LiCoO2,由于原料的混合是在分子水平上进行,可逆容量为132mAhg-1,循环性能也得到改善。该化合物制备相对简单,有高达的工作电压,在充放电过程中,Li1-xCoO2发生从三方晶系到单斜晶系的可逆相变,但这种变化只伴随很少的晶胞参数变化,故有良好的可逆性。但是Li1-xCoO2的容量一般被限制于125mAhg-1,否则,过充电将导致不可逆容量损失和极化电压增大且其价格高,有毒、因此,随着价廉而性能优异的正极材料研究的深入,LiCoO2的使用量将逐渐减少。(2)LiVO2钒的价格较钴低,亦能形成层状化合物,但与LiCoO2不同。当Li+离子
7、脱嵌时,层状的LiVO2变得不稳定,在Li1-xVO2中,当x时，由于Co的含量降低，容量降低。当然，如果提高充电的终止电压到4.52V，容量可达160mAh/g。但是过量的锂并没有将CO3+还原，而是产生了新价态的氧离子，其结合能高，周围电子密度小，而且空穴结构均匀分布在Co层和O层，提高CoO的键合强度。然而也有不同的报道。例如x=、和，放电容量基本上都为140mAh/g，而容量衰减归结于x增加时，锂存在于八面体位置。镁离子的掺杂对锂的可逆嵌人容量影响不大，而且也表现良好的循环性能，这主要是镁接杂后形成的是固溶体，而不是多相结构。镁的掺杂量达到在x=0.2(LiCo1-xMgxO2B)时还
8、保持为均一的固溶体。通过LiMAS-NMR联用的方法，观察到镁掺杂后的相结构存在缺陷:氧空位和中间相Co3+。当充电到时，容量大于160mAh/g，循环性能依然理想。主要原因可能在于:镁的离子半径与锂的离子半径差不多，掺杂后，位于O-Co-O片层之中，当锂离子脱嵌后，可起到“顶柱”的作用，保证锂离子嵌人和脱的通道不受影响，防止锂离子无序化和晶体的形变.另外，该种稳定晶格的作用也可以从掺杂后进行化学脱锂的结构变化得到反映。当杂量较多时，晶相结构基本上不随锂的脱嵌而发生变化，而较少时，会明且产生P3相。采用铝进行掺杂主要考虑如下因素:铝便宜、毒性低、密度小;a-LiAlO2与LiCoO2的结构相类
9、似，且A13+()和Co3+()的离子半径基本上相近，能在较大的范围内形成固溶体LiA1yCo1-yO2；Al的掺杂可以提高电压;掺杂后可以稳定结构，提高容量，改善循环性能。例如y值可以高达0.5时还保持为均一的结构，a值基本上不变，c值和c/a比值随y的增加而增加.该种稳定晶格的作用与镁的掺杂一样，也可以从掺杂后进行化学脱锂的结构变化得到反映.掺杂量较多时，晶相结构基本上不随锂的脱嵌而发生变化，而较少时，会明显产生O3相。可以采用丙烯酸作为载体的溶胶凝胶法制备诊杂的LiAlyCo1-yO2。但是，掺杂量的多少及相应的热处理温度对电化学性能有明显影响。钛的掺杂也有利于电化学性能的提高，但是具体
10、原因有待于进一步研究。LiNiO2与LiCoO2的结构基本上相同，可以以任意比例形成均一的固溶体两者混合时只产生少量的正活变。镍取代后的LiCo1-xNixO2可以采用软化学法制备成纳米粒子，也可以采用溶胶凝胶法进行镍的掺杂。例如，采用三乙醇胺和纤维素作为载体，制备粒径为300350nm的。纤维素在其中具有双重作用:第一是作为燃料，促进反应的进行;第二是在反应中生成介孔碳，防止粒子的进一步长大。因此，两者的比例对的容量和循环性能具有明显影响。在镍掺杂的基础上可以进行进一步掺杂，例如铝、镍共同掺杂的(0)具有大于1000次的循环寿命，在低放电深度下可以达到几万次，超过其它二次电池。5、安全性能高
11、。锂离子电池充放电过程中没有金属锂的出现，避免了锂电池中金属锂造成的安全问题。此外，电池中具有多种安全保护措施，有效地避免了电池过充产生的安全问题。6、自放电率低。锂离子电池在首次充电过程中在碳负极材料表面形成一层具有离子导电性而对电子绝缘的固体电解质中间相膜，可较好的阻止自放电的发生。在充电状态下，锂离子电池的月自放电率为23%。7、无记忆效应。8、具有快速充电能力。9、密封良好，无泄漏现象。根据锂离子电池的工作原理，理想的锂离子电池电极材料(即锂离子嵌基材料)，应具有以下特点：1、在整个电极过程中，G值的变化要小，以保证电极输出电位的平稳；对于正极材料，要求|G|较大，以提供较高的电极电位
12、。2、充放电过程中结构稳定，可逆性好，保证电池的循环性能良好。3、锂离子在电极材料中的扩散系数高，以确保电极过程的动力学因素，从而使电池适用于较高的充放电倍率，满足动力型电源的需要。4、电极活性物质的电化当量小，并且可以可逆脱出的锂离子量要大，以保证电极材料具有较高的能量密度。5、材料的振实密度大，以保证材料具有较高的体积比容量。6、在电解液中的化学稳定性好，溶解度低。7、具有较高的电子导电性。8、材料合成容易。9、资源丰富，价格低廉，对环境无污染。1、碳负极材料碳材料对锂的电位比较低，一般小于1V，是较理想的负极材料，也是人们探索研究最多的一种材料，目前己商业化的锂离子电池所用的负极材料几乎
13、均是碳材料。锂电池中具实用价值和应用前景的碳主要有三种：(1)高度石墨化的碳；(2)软碳和硬碳；(3)碳纳米材料。(1)石墨目前，对嵌锂石墨作负极的研究主要焦点是：石墨与电解质的相容性比较差，充放电过程中容易发生石墨的层状剥落，导致循环性能变差；石墨结构与电化学性能的关系。石墨的结晶程度、微观组织、堆积形式、颗粒大小及分布、纯度等都对嵌锂容量有影响。(2)软碳和硬碳软碳是由石油沥青在1000?C左右热处理，使其脱氧、脱氢而成。这类碳材料中存在一定杂质，难以制备高纯碳，但资源丰富，价格低廉。用石油焦作负极组装的锂离子电池负极容量可达到186mAh/g，对电解液不敏感，不会造成电解液的分解，锂与电解液在石墨表面形成的钝化层不易分解，过充、过放性能好。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。
