高比能量锂离子电池正极材料的研究168棋牌官网进展

来源 |储能科学与技术(熊凡,张卫新等)

摘 要便携式电子设备的微型化、轻量化与电动汽车、电网储能设备的飞速发展,对高能量密度的锂离子 电池的研发和性能表现提出了越来越高的要求。锂离子电池正极材料是锂离子电池的核心,其提供锂离子并 参与电化学反应,因此改善正极材料性能是提高锂离子电池能量密度的关键。人们需要进一步研究开发成本 较低、安全性更好的高能量密度新型锂离子电池正极材料。本文主要从提升正极材料的比容量和工作电压两 方面介绍三元、富锂锰基材料和高电位镍锰酸锂等高比能量正极材料的介尺度结构设计、制备与性能调控研发进展。

168棋牌官网关键词 锂离子电池;正极材料;能量密度;电化学性能

锂离子电池作为一种能量储存和转换的装置,与传统的铅酸电池和镍氢电池相比,具有能量密度大、能量转化效率高、工作电压高、循环寿命长和无记忆效应等诸多优点,在消费型电子产品、新能源汽车与电网储能等方面得到了越来越广泛的应用。锂离子电池的构成主要包括正极、负极、隔膜和电解液等。其电化学性能和成本很大程度上是由正极材料所决定。在满足安全、环保和寿命等基本前提下,要求下一代锂离子动力电池具有更高的能量密度和更好的倍率性能。提高电池的能量密度主要有两个途径:一是提高正、负极材料的比容量;二是提高正、负极材料之间的工作电压。

从目前锂离子电池正极材料电化学性能来看,LiCoO 2 电池充放电电压平稳、循环性能优异,应用广泛;但Co资源稀少、成本较高、环境污染较大和抗过充能力较差,其发展应用受到限制。LiMn 2 O 4 电池具有充放电电压高、环境友好、价格低廉和安全性能优异等优点,但存在Jahn-Teller效应导致其尖晶石结构由立方相向四方相转变,并且其电化学性能在高温(如55 ℃)时因为金属离子溶解而导致循环寿命较短。LiFePO 4 作为国内锂离子动力电池已商业化的正极材料,具有安全性能高、循环寿命长、价格低廉、环保等优点;但其橄榄石结构限制了Li + 的传输扩散并且导致了其导电性较差,因此影响了材料的倍率性能,而另一方面磷酸铁锂本身过低的振实密度也会带来应用中的一系列问题。常见的几类锂离子正极材料电化学性能参数如表1所示。

表1 锂离子电池正极材料的电化学性能参数比较

注: 能量密度计算取质量能量密度= ; 为电化学反应吉布斯生成能, 为反应物摩尔质量之和;电极材料理论容量= 。其中, n 为每摩尔电极材料在氧化或还原反应中转移电子的量; F 为法拉第常数; M 为电化学反应物摩尔质量。

168棋牌官网目前我国电动汽车商用锂离子动力电池主要以磷酸铁锂为正极、石墨为负极,电池的能量密度仅在120~130 W ·h/kg,远远低于国家规划2025年能量型锂离子电池300 W ·h/kg的能量密度目标。已商业化的低镍三元正极材料如LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (NCM111)和LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 (NCM523)的比容量分别为140~145 mA ·h/g和150~160 mA ·h/g,也无法达到这个目标。相比而言,高镍类三元材料如LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 (NCM811)、LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 (NCA)的理论容量约为200~220 mA ·h/g,电压平台为3.7 V;富锂锰基正极材料如Li 2 MnO 3 ·LiMO 2 (M= Ni、Co、Mn等)理论容量为250~300 mA ·h/g,电压平台为4.2 V;镍锰酸锂的理论容量为146.7 mA ·h/g,但是其电压平台高达4.7 V,因而也具有很高的能量密度。通过选择合适负极与这几类正极材料匹配,有望构建下一代高比能量锂离子电池,并实现产业化。

(作者:168棋牌官网)

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