锂离子电池正极材料的研究进展

　　能源、环境和信息已经构成了21世纪科技发展的三大主题。从人类文明开始,能源就与人类社会的生存与发展密切相关。人类社会要实现可持续化发展战略,就必须发展新能源,保护好自然环境与自然资源。随着电子技术的日新月异,电子电器在不断向着小型化和高性能化的方向迅猛发展,尤其是移动通讯,笔记本电脑和摄像机等便携式电子设备的广泛普及应用,对高能二次电池提出了迫切的需求,使得具有高能量密度的二次电池得到空前发展。而传统的镍氢电池、镍镉电池等,因其能量密度较低,污染环境等缺点已经远远满足不了市场的需求。与其它电池相比,锂离子电池以其电压高、容量大、体积小、无记忆效应、循环寿命长、安全性能好等优点成为二次电池的首选,已经发展成为了一种新的绿色能源。锂离子电池所应用的领域正在不断扩大,已经成功应用到汽车、航空航海和空间技术等新的领域当中,展示了广阔的应用前景和潜在的巨大经济效益,迅速成为近几年电池领域广为关注的研究点。

　　锂离子电池正极材料是锂离子电池的重要组成部分,在锂离子充放电过程中,不仅要提供正负极嵌锂化合物往复嵌/脱所需要的锂,而且还要负担负极材料表面形成SEI膜所需的锂[1]。此外,正极材料的性能在很大程度上影响着锂离子电池的性能,并直接决定着锂离子电池成本的高低[2],所以研究和开发高性能的正极材料已成为锂离子电池发展的关键所在。一般认为锂离子二次电池的正极材料应满足以下几个要求[3~5]: (1)在要求的充放电电位范围(0~5V)具有与电解质溶液的电化学相容性和稳定性;(2)温和的电极过程动力学; (3)锂离子嵌入/脱出的高度可逆性; (4)嵌锂状态下的稳定性。目前锂离子电池正极材料研究的热点主要集中在层状LMi O2、尖晶石型LMi2O4(M=Mn,Co,Ni等过渡金属离子)[6~11]及橄榄石型的LiFe-PO4[12]等正极材料。本文将对锂离子电池的工作原理及这几种正极材料的结构、性能及制备方法进行介绍。

　　1　锂离子电池的工作原理

　　锂离子电池采用含锂的金属氧化物作为正极活性物质,一般采用氧化钴锂(LiCoO2)、氧化镍锂(LiNiO2)和氧化锰锂(LMi n2O4)等。采用特别的碳素材料作负极,组装完毕的电池必须先经过充电处理,使正极活性物质中的部分Li+脱离正极材料晶格由电液迁入到负极活性物质碳的晶格之中(嵌入或插入),生成LixC化合物(一般x<0·17)。放电时,LixC化合物中的Li脱嵌,再充电时,又重复上述过程。这种利用Li+在正、负极材料中的嵌入与脱嵌从而完成充放电的过程称为摇椅式(RockingChair)机制[13]。锂离子电池的充放电原理如图1所示。