鋰電池正極材料的優(yōu)劣勢(shì)分析

　　鋰電池的性能主要取決于所用電池內(nèi)部材料的結(jié)構(gòu)和性能。這些電池內(nèi)部材料包括負(fù)極材料、電解質(zhì)、隔膜和正極材料等。其中正、負(fù)極材料的選擇和質(zhì)量直接決定鋰離子電池的性能與價(jià)格。因此廉價(jià)、高性能的正、負(fù)極材料的研究一直是鋰離子電池行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。負(fù)極材料一般選用碳材料，目前的發(fā)展比較成熟。而正極材料的開發(fā)已經(jīng)成為制約鋰離子電池性能進(jìn)一步提高、價(jià)格進(jìn)一步降低的重要因素。在目前的商業(yè)化生產(chǎn)的鋰離子電池中，正極材料的成本大約占整個(gè)電池成本的40％左右，正極材料價(jià)格的降低直接決定著鋰離子電池價(jià)格的降低。對(duì)鋰離子動(dòng)力電池尤其如此。比如一塊手機(jī)用的小型鋰離子電池大約只需要5克左右的正極材料，而驅(qū)動(dòng)一輛公共汽車用的鋰離子動(dòng)力電池可能需要高達(dá)500千克的正極材料。

　　衡量鋰電池正極材料的好壞，大致可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估：

　?。?）正極材料應(yīng)有較高的氧化還原電位，從而使電池有較高的輸出電壓；

　?。?）鋰離子能夠在正極材料中大量的可逆地嵌入和脫嵌，以使電池有高的容量；

　?。?）在鋰離子嵌入/脫嵌過程中，正極材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能不發(fā)生變化或小發(fā)生變化，以保證電池良好的循環(huán)性能；

　　（4）正極的氧化還原電位在鋰離子的嵌入/脫嵌過程中變化應(yīng)盡可能小，使電池的電壓不會(huì)發(fā)生顯著變化，以保證電池平穩(wěn)地充電和放電；

　?。?）正極材料應(yīng)有較高的電導(dǎo)率，能使電池大電流地充電和放電；

　　（6）正極不與電解質(zhì)等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；

　　（7）鋰離子在電極材料中應(yīng)有較大的擴(kuò)散系數(shù)，便于電池快速充電和放電；

　　（8）價(jià)格便宜，對(duì)環(huán)境無污染。

　　鋰電池正極材料一般都是鋰的氧化物。研究得比較多的有LiCoO2，LiNiO2，LiMn2O4，LiFePO4和釩的氧化物等。導(dǎo)電聚合物正極材料也引起了人們的極大興趣。

　　1、LiCoO2

　　在目前商業(yè)化的鋰離子電池中基本上選用層狀結(jié)構(gòu)的LiCoO2作為正極材料。其理論容量為274mAh/g，實(shí)際容量為140mAh/g左右，也有報(bào)道實(shí)際容量已達(dá)155mAh/g。該正極材料的主要優(yōu)點(diǎn)為：工作電壓較高（平均工作電壓為3.7V）、充放電電壓平穩(wěn)，適合大電流充放電，比能量高、循環(huán)性能好，電導(dǎo)率高，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、容易制備等。主要缺點(diǎn)為：價(jià)格昂貴，抗過充電性較差，循環(huán)性能有待進(jìn)一步提高。

　　2、LiNiO2

　　用于鋰離子電池正極材料的LiNiO2具有與LiCoO2類似的層狀結(jié)構(gòu)。其理論容量為274mAh/g，實(shí)際容量已達(dá)190mAh/g～210mAh/g。工作電壓范圍為2.5～4.2V。該正極材料的主要優(yōu)點(diǎn)為：自放電率低，無污染，與多種電解質(zhì)有著良好的相容性，與LiCoO2相比價(jià)格便宜等。但LiNiO2具有致命的缺點(diǎn)：LiNiO2的制備條件非?？量?，這給LiNiO2的商業(yè)化生產(chǎn)帶來相當(dāng)大的困難；LiNiO2的熱穩(wěn)定性差，在同等條件下與LiCoO2和LiMn2O4正極材料相比，LiNiO2的熱分解溫度最低（200℃左右），且放熱量最多，這對(duì)電池帶來很大的安全隱患；LiNiO2在充放電過程中容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，使電池的循環(huán)性能變差。這些缺點(diǎn)使得LiNiO2作為鋰離子電池的正極材料還有一段相當(dāng)?shù)穆芬摺?/FONT>

　　3、LiMn2O4

　　用于鋰離子電池正極材料的LiMn2O4具有尖晶石結(jié)構(gòu)。其理論容量為148 mAh/g，實(shí)際容量為90～120 mAh/g。工作電壓范圍為3～4V。該正極材料的主要優(yōu)點(diǎn)為：錳資源豐富、價(jià)格便宜，安全性高，比較容易制備。缺點(diǎn)是理論容量不高；材料在電解質(zhì)中會(huì)緩慢溶解，即與電解質(zhì)的相容性不太好；在深度充放電的過程中，材料容易發(fā)生晶格崎變，造成電池容量迅速衰減，特別是在較高溫度下使用時(shí)更是如此。為了克服以上缺點(diǎn)，近年新發(fā)展起來了一種層狀結(jié)構(gòu)的三價(jià)錳氧化物L(fēng)iMnO2。該正極材料的理論容量為286 mAh/g，實(shí)際容量為已達(dá)200 mAh/g左右。工作電壓范圍為3～4.5V。雖然與尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMn2O4相比，LiMnO2在理論容量和實(shí)際容量?jī)蓚€(gè)方面都有較大幅度的提高，但仍然存在充放電過程中結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性問題。在充放電過程中晶體結(jié)構(gòu)在層狀結(jié)構(gòu)與尖晶石結(jié)構(gòu)之間反復(fù)變化，從而引起電極體積的反復(fù)膨脹和收縮，導(dǎo)致電池循環(huán)性能變壞。而且LiMnO2也存在較高工作溫度下的溶解問題。解決這些問題的辦法是對(duì)LiMnO2進(jìn)行摻雜和表面修飾。目前已經(jīng)取得可喜進(jìn)展。