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1、锂离子电池的相关介绍错误！未定义书签。锂离子电池发展史错误！未定义书签。锂离子电池的组成成分及工作原理11. 锂离子电池正极材料22. 锂离子电池负极材料43电解质材料64. 隔膜7锂离子电池在车用电池方面的应用7展望8参考文献9锂离子电池的相关介绍摘要：锂离子电池是以嵌锂化合物作为正、负极材料的电池。探索新型锂离子电池电极材 料以及对其进行改进，可以扩大锂离子电池的应用领域。关键词：锂离子电池；电极材料；车用锂离子电池锂离子电池发展史20 世纪 70 年代埃克森的 M.S.Whittingham 采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为 负极材料，制成首个锂电池。1982年伊利诺伊理工大学(the
2、 Illinois Institute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是 快速并且可逆的。但与此同时，采用金属锂制成的锂电池，其安全问题也备受关注，因 此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝 尔实验室试制成功。1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正 极材料，具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高，且氧化性远低于钴 酸锂，即使出现短路、过充电，也能够避免了燃烧、爆炸的危险。 1989年， A.Manthiram 和J.Go
3、odenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。1991年日本索尼公司 开发出了 C/LiCoO 2锂离子二次电池系列产品。从此对锂离子电池的研究与开发成 为了世界的热点。锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。此类以钴酸锂作为正极材 料的电池，至今仍是便携电子器件的主要电源。目前，我国市场上锂离子电池种类繁多，但90%以上均为液态锂离子电池。新型的聚合 物锂离子电池和全固态锂离子电池因技术尚不成熟，生产厂家很少。锂离子电池除了按电解 液分为上述液态锂离子电池，聚合物锂离子电池和全固态锂离子外，按电池容量还可分为小 型锂离子电池和大型锂离子电池。我们常见的手机电池属于前者，而大型锂离子电
4、池，也称 为动力电池则广泛应用于电动工具，电动自行车和电动汽车，而且市场前景相当广阔。锂离子电池的组成成分及工作原理锂离子电池是以嵌锂化合物作为正、负极材料的电池。嵌锂化合物多为层状或框架结构， 充放电过程中锂离子可在其层间可逆的嵌入与脱出而不改变其结构。与其他种类电池相比， 锂离子电池具有开路电压高、循环寿命长、能量密度高、自放电低、无记忆效应、对环境友 好等优点。简单的讲，锂离子电池的组成主要包括正极、负极、电解质与隔膜4 个部分。正极材料 通常是一种嵌入化合物(intercalation compound)，在外界电场作用下化合物中的锂可在晶体 中可逆脱出和嵌入 ;负极材料一般是层状结构
5、的碳材料 ;常见电解质为溶解有可溶锂盐 (如 LiPF6)的有机碳酸酯溶液。电池的充放电过程就是Li+在正负电极材料之间可逆地嵌入与脱嵌6的过程。在充电时正极材料中的Li+脱离正极，进入电解液，通过隔膜向负极方向迁移，在 负极上捕获电子被还原，并存贮在具有层状结构的石墨中;放电时，负极中的锂会失去电子 而成为Li+，进入电解液，穿过隔膜向正极方向迁移，并存贮在正极材料中。由于充放电过 程中锂离子是在正负极之间来回迁移，所以锂离子电池早期也被称为“摇椅电池”（rocking chair battery）。1锂离子电池正极材料【1】理想的锂离子电池正极材料应具有以下品质:电位高、比容量高、密度大（
6、包括振实密度， 压实密度）、安全性好、低温性能好、倍率性能佳和长寿命等。正极材料中LiCoO2是目前应用最为广泛的锂离子电池正极材料，1991年SONY公司率 先推出的第一种商品锂离子电池正极材料就是LiCoO2。由于其在电压稳定性、可逆性、充放 电效率等方面具有优良性能，再加上全球手机、数码产品、电动玩具等市场迅速发展， LiCoO2 一直保持着强劲的发展势头。但由于原料Co成本很高，LiCoO2比容量较低（138mAh/g）,且 对环境有一定的污染，使得其必然会被新型的正极材料所取代。LiMn2O4具有价格低廉和安 全性好等优点，但由于Mn3+存在Jahn-Teller畸变效应，且Mn2+
7、会溶于电解液等因素，使得 其循环性能差，容量衰减严重，限制了应用。LiFePO4与Li3V2 （POJ3是近年来最得到人们广 泛关注的两种锂离子电池正极材料，LiFePO4主要特点是原料成本低，安全性高，无污染， 循环寿命长。而Li3V2（PO4）3主要特点是比容量高，电位高。此外还有LiNio.5Mf.5O4材料，其 主要特点是电位高（4.7V vs Li），能量密度高。1.1LiFePO41997年Goodenough等首次提出具有橄榄石结构的聚阴离子材料磷酸亚铁锂（LiFePO4， 亦称磷酸铁锂）可以作为锂离子电池正极材料，到现在LiFePO4已成为电动汽车、电动工具的 理想电极材料之一
8、，得到世人的广泛关注。LiFePO4 （如图一）具有橄榄石型结构，正交晶系，空间群为Pnmb。中心Fe2+与周围6 个氧形成FeO6八面体，FeO6八面体和PO4四面体共同构成了 Z字形的空间骨架，Li+在骨架664中占据着八面体位，通过共棱与FeO6八面体和PO4四面体相连。64 LI图i 橄榄杠型mm*结樹莎意图3充放电过程中，锂离子可以在b方向上可逆脱出插入。由于LiFePO4与FePO4空间群相 同，结构稳定，脱锂过程中体积仅减少6.81%，密度增加 2.59%，使得材料本身具有很好的 热稳定性和循环性能。传统LiFePO4的缺点主要有两方面，一是电子电导率低;二是锂离子迁移速率低。这
9、严重 影响了 LiFePO4容量的发挥，如果不进行改性处理，纯相的LiFePO4基本不能发挥容量。目前 主要通过改进材料的制备方法及对材料进行表面包覆等手段来制备新型的LiFePO4以改善其 电化学性能。LiFePO4的制备方法主要有:高温固相合成法，微波合成法，水热合成，液相反 应共沉淀制备法，有机碳裂解还原制备法等。改性方法主要是对 LiFePO4 材料进行表面碳包 覆或金属包覆。每种方法制备的 LiFePO4 从形貌到电化学性能上各有不同，但均比纯相的 LiFePO4有了很大的进步。由于LiFePO4优良的电化学性能，优异的环境友好性，以及较低的 成本，已成为国内外关注与研发的重点，其产
10、业化开发也正在如火如荼的进行中。1.2气V? (POQ (LVP)正极材料LiFePO4虽然具有很好的安全性能与倍率性能，但其并不很高的3.5V放电平台使电池的 功率密度得到限制。与LiFePO4相比，LVP的主要优势在于较高的电压平台与较高的比容量。 单斜结构的LVP在充电过程中可以逐步失去全部的锂，理论容量达197mAh/g。单斜相LVP结构属于P2_,/n空间群，晶体结构中稍有扭曲的VO6八面体和PO4四面体通164过共用氧原子，形成(VOPO)n键的连接，形成三维网络结构，锂原子处于这个结构的 孔间隙中。传统LVP的主要缺点在于电子导电率较低，目前主要尝试采用碳包覆和金属阳离子掺杂 等
11、方式来提高LVP的导电性能。Rui等采用碳热还原法制备新型Li3V2 (POJ 3/C(LVP/C),通过尝试不同的烧结温度，不同 的碳源以及不同的碳源比例来获取最佳性能的新型LVP/C产品。在不同的烧结温度下制备的 LVP/C产品在3.04.8V, 0.2C倍率下首次充放电，放电比容量处于152163mAh/g之间。 其中以750C合成的LVP/C首次放电比容量最高(163mAh/g)。同时，Rui等还尝试使用不同碳源(柠檬酸、葡萄糖、聚偏氟乙烯和淀粉)对LVP样品进 行碳包覆以改善其电化学性能。4个样品中，基于柠檬酸的样品比容量最高(166.7mAh/g), 其次是基于葡萄糖的样品(158
12、.8mAh/g)。Rui等还采用溶胶凝胶法制备碳包覆的新型LVP/C 复合正极材料，目的是使反应物在溶胶步骤达到分子级水平的混合，从而使原料混合均匀， 获得粒径分布更加均匀，比表面积更大的产物。高温固相反应需要较高的温度与较长的烧结时间，易导致产物粒径过大和团聚现象发生 同时原料混合也很难达到较高均匀度，从而影响最终产品的电化学性能。而液相法虽然反应 温度较低，但较长的热处理时间及额外的处理过程，例如搅拌和加热过程等会降低产品的产 率，不利于工业生产。针对这一问题，Wang等通过选取原料设计了一种较低温度下(700C) 制备LVP/C材料的低温固相烧结方法。得到的LVP/C材料在3.04.3V
13、，10C倍率下首次放电 比容量为99.8mAh/g, 300次循环后仍有95.8mAh/g。此外，Wang等还通过静电喷雾沉积 (electrostatic spay deposition， ESD)方法制备了 LVP/C薄膜。总的来讲，LVP由于结构稳定，氧化还原电位高，理论比容量高，良好的热稳定性以及 优秀的循环性能等诸多优点，也已经成为人们关注的焦点，并将成为未来锂离子电池正极材 料的首选材料之一。1.3 5V 正极材 LiNi Mn O (LNMO)0.51.54为了抑制LiMn2O4尖晶石中Mn3+的Jahn-Teller效应，20世纪90年代初，一些课题组开 始尝试用二价或者四价阳
14、离子(Fe2+, Co2+，Zn2+, Ni2+和Ge4+)掺杂取代部分的Mn,但直到 1996年Amine等才首次报道了 LNMO电极材料，随后Dahn等发现了 LNMO的4.7V电压平1.4三元正极材料LiNi Co Mn MO1/3 1/31/3x x 2LiNi1/3Co1/3Mn1/3MxO2 (LNCMO)被称为三元正极材料。最早由Liu等在1999年提出，它 较好的兼备了 LiCoO2、LiMn2O4和LiNiO2的优点，并在一定程度上弥补了各自的不足，具有 比容量较高、循环性能稳定、成本相对较低、安全性能较好等特点，得到人们广泛关注。但 同时LNCMO也有很难克服的缺点，例如导
15、电性差、高电压下(4.4V vs Li以上)会造成电解液 分解等，严重影响了其倍率性能及循环性能。过渡金属掺杂成为提高LNCMO电化学性能的 一种重要的方法。2锂离子电池负极材料【1】理想的锂离子电池负极材料应具有电位低、比容量高、密度大(包括振实密度、压实密 度)、安全性好、低温性能好、倍率性能佳、长寿命和能量效率高(排除转化反应机理过渡金 属氧化物，如 CoO， CuO 等)等优良品质。负极材料中石墨是应用最广泛的电极材料，它的特点是电位低(00.2V vs Li);Li4Ti5Oi2主 要优点是循环性能好，安全性高，但作为负极材料，较高的电位(1.5V vs Li)降低了它的能量 密度;
16、Si材料的特点在于比容量高(4200mAh/g),但较差的循环性影响了其使用。2.1VO 化合物x氧化物是当前人们研究的另一种负极材料体系，包括金属氧化物、金属基复合氧化物和 其它氧化物。现在研究热点主要集中在锡、锑氧化物上，也有关于锰、铁、钨等其他氧化物 负极的研究Ding等通过将水热方法制备的片状VO20.43H2O(VO(F)用作锂离子电池负极材料时， 表现出优异的循环性能与倍率性能。由于锂离子电池是一个能量存储装置，所以能量效率(放 电容量/充电容量)是一重要参数。通过对VO(F)充放电曲线的面积进行积分，可以发现其能 量效率，远远高于其他转化反应型金属氧化物电极材料。2.2 LiTiO4 5 12尖晶石型Li4Ti5O12负极材料最早是由Descha
