鋰電池常用正負極材料特性及應用領域
發布時間:2019-06-17 17:30:05
關鍵詞:鋰離子電池

  鋰離子電池常用的正極材料有錳酸鋰,鈷酸鋰,磷酸鐵鋰以及三元材料等,常用的負極材料包括碳材料及硅基材料等。本期帶來這些材料的特點分析以及使用的領域。

  離子電池在使用的過程中,能夠進行二次充電,屬于一種二次可充電電池,主要工作原理為鋰離子在正負極之間的反復移動,無論電池的形狀如何,其主要組成部分都為電解液、正極片、負極片以及隔膜。目前,國際上鋰離子電池的生產地主要集中在中國、日本和韓國,主要的鋰離子應用市場為手機和電腦及汽車。

  隨著鋰離子電池的不斷發展,應用領域也在逐漸的擴大,其在正極材料的使用方面已經由單一化向多元化的方向轉變,其中包括:橄欖石型磷酸亞鐵鋰、層狀鈷酸鋰、尖晶石型錳酸鋰等等,實現多種材料的并存。

  從技術發展方面能夠看出,在日后的發展中還會產生更多新型的正極材料。對于動力電池的正極材料來說,其在成本費用、安全性能、循環能力以及能量密度等多個方面都具有較為嚴格的要求。

  在應用材料領域中,由于鈷酸鋰的費用較高、安全性較低,因此在具體的使用中通常適用于普通消費類電池,難以符合動力電池的相關要求。而上述列舉的其他材料均已在目前的動力電池中得到了充分的利用。

  在鋰離子電池材料中,負極材料屬于重要的組成部分,能夠對整體電池的性能產生較大影響。目前,負極材料主要被劃分為兩個類別,一種為商業化應用的碳材料,例如天然石墨、軟碳等,另一類為正處于研發狀態,但是市場前景一片大好的非碳負極材料,例如硅基材料、合金材料、錫金材料等等。

  碳負極材料

  此種類型的材料無論是能量密度、循環能力,還是成本投入等方面,其都處于表現均衡的負極材料,同時也是促進鋰離子電池誕生的主要材料,碳材料可以被劃分為兩大類別,即石墨化碳材料以及硬碳。其中,前者主要包括人造石墨以及天然石墨。

  人造石墨的形成過程為:在2500℃以上的溫度中,將軟碳材料進行石墨化處理之后得到,MCMB屬于人造石墨中比較常用的一種,其結構為球形,表面質地較為光滑,直徑大約為5-40μm。由于受其表面光滑程度影響,使電極表面以及電解液之間發生反應的幾率降低,進而降低了不可逆容量。同時,球形結構能夠方便鋰離子在任何方向進行嵌入和脫出活動,對保障結構穩定具有較大的促進作用。

  天然石墨也具有諸多優勢,其結晶度較高、可嵌入的位置較多,并且價格較低,是較為理想的鋰離子電池材料。但其也存在一定的弊端,例如在與電解液反應時,相容性較差,在進行粉碎時表面存在諸多缺陷等,這都將對其充電或放電的性能產生較大的不利影響。

  此外,硬碳的形成過程為:在2500℃的狀態下,難以實施石墨化的碳材料,其主要為高分子化合物的熱解碳,通過高倍顯微鏡能夠看出,其是由許多納米小球堆積而成,整體呈現出花團簇狀。在其表面具有大量納米孔的無定形區域,在容量方面遠遠超過石墨的標準容量,進而對循環能力產生較大的不利影響。

  硅負極材料

  由于硅物質的儲存量較為豐富,且價格較為低廉,因此將其作為新型負極材料應用到鋰離子電池中十分理想。但是,由于硅屬于半導體,電導率較差,并且在嵌入的過程中將會使體積膨脹成以往的數倍,最高膨脹度能夠達到370%,這將導致活性硅粉化和脫落,難以與電子進行充分的接觸,進而使得容量迅速縮減。

  要想使硅在鋰離子電池材料中得到良好的應用,使其在充電或者放電的過程中,能夠對其體積進行有效的控制,進而使其容量和循環能力得到極大的保障,可以采用以下幾種方式來實現,第一,使用納米尺寸的硅。第二,將硅與非活性基體、活性基體、粘接劑相結合。第三,利用硅薄膜,其已經被視為是下一代最為適用的商用負極材料。

  鋰離子電池正極材料

  1.鈷酸鋰

  作為正極材料,被應用的時間最早,并且直至目前仍然屬于消費電子產品中居于主流的正極材料。鈷酸鋰與其他正極材料相比較能夠看出,其工作過程中電壓較高,充電或者放電時電壓運行較為平穩,能夠符合大電流的要求,具有較強的循環性能,電導效率較高,材料以及電池等工藝較為穩定。

  但是其也存在許多缺點,例如資源較為短缺,價格較貴,鈷含有毒性,使用時具有一定的危險,并且會對環境產生不良影響。尤其是其安全性不能得到切實的保障,這將成為制約其廣泛發展的重要因素。

  在對其進行的研究中,以Al3+、Mg2+、Ni2+等金屬陽離子摻雜最為廣泛,隨著科研的不斷推進,目前采用Al3+與Mg2+等金屬陽離子摻雜形式更是已開始投入使用。

  在鈷酸鋰的制備方面,主要包括兩種方法,即固相合成法以及液相合成法。在工業中普遍使用的是高溫固相合成法,它主要利用鋰鹽,例如Li2CO3或LiOH等,與鈷鹽如CoCO3等,按照1:1的比例進行融合,并且在600℃至900℃高溫的狀態下進行煅燒而形成。目前市場中對鈷酸鋰材料的應用主要為二次電池市場當中,并且也成為小型高密度鋰離子電池材料的最佳選擇。

  2.三元正極材料

  具有較為顯著的三元協同效應,其與鈷酸鋰相比較能夠看出,在熱穩定性方面存在較大的優勢,并且生產成本較為低廉,能夠成為鈷酸鋰最佳代替材料。但是其密度較低、循環性能方面也有待提高。對此,可以采用改進合成工藝以及離子摻雜等進行調整。

  三元材料主要應用于鋼殼、鋁殼等圓柱形鋰離子電池當中,但在軟包電池中由于受到膨脹因素影響,使其的應用受到較大限制。在未來的應用中,其發展方向主要有兩個方面:第一,向著高錳方向,主要在藍牙、手機等小型便攜式設備方面發展。第二,向著高鎳方向,主要在電動自行車、電動汽車等對能量密度需求較高的領域中進行應用。

  3.磷酸亞鐵鋰

  在充電和放電方面具有良好的循環性能以及熱穩定性,在使用過程中具有較強的安全保障,并且該材料綠色環保,不會對環境造成嚴重的損害,同時價格也較為低廉,被我國電池工業認為是進行大型電池模塊生產的最佳材料。目前的主要應用領域有:電動汽車、便攜式移動充電電源等,在未來發展中將會朝著儲能電源、便攜式電源方向深入發展。

  4.錳酸鋰

  在應用中具有較強的安全性以及抗過充性,由于我國錳資源較為豐富,因此價格較為低廉,對環境的污染較小,無毒無害,工業制備操作較為簡便。但是其在充電或者放電過程中,由于尖晶石結構不穩定,容易產生Jahn-Teller效應,再加上高溫狀態下錳的溶解,容易縮減電池容量,因此其應用也受到了較大的限制。

  目前,錳酸鋰的應用范圍主要是小型電池,例如手機、數碼產品等,在動力電池方面與磷酸鐵鋰能夠互為替代,因此產生了強烈的競爭,其發展方向將會向著高能量、高密度、低成本的趨勢發展。

  結束語

  鋰離子電池產品呈現出蓬勃發展的態勢,隨著科學技術的發展,智能手機、電腦等產品得到廣泛的應用,這將使得對鋰離子電池的需求量變大,為其帶來較大的發展機遇。同時,車載鋰離子以及儲能電源等也逐漸得到發展,為鋰離子電池提供了新的增長點。由此可見,在未來的發展中,必會加強對此方面的研究力度,使鋰離子電池的作用發揮到更大,這也將帶動其電池材料不斷得到更新換代。


稿件來源: 電池中國網
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