鋰離子電池正極材料分類

理想的鋰離子電池正極材料應(yīng)該能夠容納大量的鋰離子，具有高的離子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率，以及良好的穩(wěn)定性。現(xiàn)有的陽極材料很難同時(shí)滿足上述要求。因此，開發(fā)具有更好電化學(xué)性能的新型負(fù)極材料和對(duì)現(xiàn)有材料進(jìn)行改性一直是鋰離子電池負(fù)極材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，陽極材料可分為三種類型:嵌入式陽極材料、合金陽極材料和轉(zhuǎn)化陽極材料。

A.嵌入式陰極材料

最典型的嵌入式陽極材料是碳。根據(jù)石墨化程度的不同，碳材料可分為軟碳、硬碳和石墨。常用的軟碳材料有石油焦、針狀焦、碳纖維、碳微球等。硬碳在2500℃以上很難石墨化。石墨的放電容量為350毫安時(shí)/克，具有分層結(jié)構(gòu)，同一層的碳原子呈六角形排列，層與層之間受范德華力用途。鋰離子可以嵌入石墨層之間形成li-gic。石墨材料導(dǎo)電性好，結(jié)晶度高，充放電平臺(tái)穩(wěn)定，是鋰離子電池最商業(yè)化的陰極材料。除石墨外，其他碳材料的鋰儲(chǔ)存機(jī)理是相同的。要指出的是，硬碳材料比石墨具有更高的放電能力，因?yàn)槌伺c石墨具有相同的包埋機(jī)制外，硬碳結(jié)構(gòu)中還存在一些微孔或缺陷，可用于Li+的存儲(chǔ)和拆卸[15]。但由于循環(huán)效率低、電壓隨容量變化大、放電平臺(tái)不穩(wěn)定、硬碳作為陽極材料的應(yīng)用受到限制。

b.合金陽極材料

合金化鋰儲(chǔ)存材料是指金屬及其合金、能與鋰發(fā)生合金化反應(yīng)的中間相化合物和配合物。據(jù)報(bào)道，鋰在室溫下可與錫、硅、鋅、鋁、銻、鍺、鉛、鎂、鈣、砷、鉍、鉑、銀、金、鎘、汞等多種金屬發(fā)生反應(yīng)，其充放電機(jī)理為合金化和反向合金化反應(yīng)。一般來說，合金陽極材料的理論容量和電荷密度遠(yuǎn)高于埋入式陽極材料。與此同時(shí),這類材料的嵌鋰潛力高,存款鋰,很難在大電流充放電條件下,鋰和樹突不會(huì)出現(xiàn),這將導(dǎo)致電池短路,為大功率設(shè)備具有重要意義。

C.轉(zhuǎn)換負(fù)極材料

目前報(bào)道的過渡金屬材料多達(dá)10種，重要是指Co、Ni、Mn、Fe、V、Ti、Mo、W、Cr、Cu、Ru等過渡金屬元素的氧化物、硫化物、氮化物、磷酸鹽和氟化物。在過去，人們并不認(rèn)為這種材料有前途。這種材料的空間結(jié)構(gòu)中沒有鋰離子嵌入和逃逸的空間，不符合傳統(tǒng)的鋰離子鑲嵌機(jī)理，常溫下與鋰的反應(yīng)被認(rèn)為是不可逆的。直到一些過渡金屬氧化物被發(fā)現(xiàn)具有高的可逆放電能力(是石墨的3倍)，這種材料才逐漸引起了研究人員的注意。圖2顯示了某些轉(zhuǎn)化的類陽極材料的第一放電比容。

與上述三種陰極材料不同，尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰Li4Ti5O12也受到了越來越多的關(guān)注。Li4Ti5O12的工作電壓為1.5v，與一般的負(fù)極材料相比，工作電壓相對(duì)較高。在這個(gè)電壓下，電解液不會(huì)分解。因此，鈦酸鋰被用作電池的負(fù)極材料。此外，鈦酸鋰材料在嵌入和拆卸鋰離子前后體積變化不大，是一種安全性能突出的零應(yīng)變材料，成為儲(chǔ)能電站下一代鋰離子電池的熱門候選材料。