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中國(guó)科學(xué)院金屬研究所
鋰電池驅(qū)動(dòng)未來(lái)（下）
材料新視野
2015年08月20日
鋰離子電池對(duì)正極材料的要求
正極材料必須起到鋰源的作用，它不僅要提供在可逆的充放電過(guò)程中往返于正負(fù)極之間的鋰離子，而且還要提供首次充放電過(guò)程中在石墨負(fù)極表面形成SEI 膜時(shí)所需消耗的鋰離子；
2) 提供較高的電極電位，這樣電池輸出電壓才可能高；
3) 在整個(gè)電極過(guò)程中，電壓平臺(tái)穩(wěn)定，以保證電極輸出電位的平穩(wěn)；
4) 為使正極材料具有較高的能量密度，要求正極活性物質(zhì)的電化當(dāng)量小，并且可以可逆脫嵌的鋰離子量要大；
5) Li+在材料中的化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)高，電極界面穩(wěn)定，具有高功率密度，使鋰電池可適用于較高的充放電倍率，滿足動(dòng)力型電源的需求；
6) 充放電過(guò)程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可逆性好，保證電池的循環(huán)性能良好；
7) 具有比較高的電子和離子導(dǎo)電率；
8) 化學(xué)穩(wěn)定性好，無(wú)毒，資源豐富，制備成本低。
常見(jiàn)正極材料及其性能
| 磷酸鐵鋰 | 錳酸鋰 | 鈷酸鋰 | 鎳酸鋰 | 鎳鈷錳三元材料 | ||
| 材料主成分 | LiFePO4 | LiMn2O4 | LiMnO2 | LiCoO2 | LiNiO2 | LiNiCoMnO2 |
| 理論能量密度（mAh/g） | 170 | 148 | 286 | 274 | 274 | 278 |
| 實(shí)際能量密度（mAh/g） | 130-140 | 100-120 | 200 | 135-140 | 190-210 | 155-165 |
| 電壓（V） | 3.2-3.7 | 3.8-3.9 | 3.4-4.3 | 3.6 | 2.5-4.1 | 3.0-4.5 |
| 循環(huán)性（次） | ＞2000 | ＞500 | 差 | ＞300 | 差 | ＞800 |
| 過(guò)渡金屬 | 非常豐富 | 豐富 | 豐富 | 貧乏 | 豐富 | 貧乏 |
| 環(huán)保性 | 無(wú)毒 | 無(wú)毒 | 無(wú)毒 | 鈷有放射性 | 鎳有毒 | 鈷、鎳有毒 |
| 安全性能 | 好 | 良好 | 良好 | 差 | 差 | 尚好 |
| 適用溫度( ) | -20～75 | ＞ 50快速衰減 | 高溫不穩(wěn)定 | -20 ～55 | N/A | -20 ～55 |
1997年P(guān)adhi和Goodenough發(fā)現(xiàn)具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽，如磷酸鐵鋰(LiFePO4)，比傳統(tǒng)的正極材料更具安全性，尤其耐高溫，耐過(guò)充電性能遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)鋰離子電池材料。因此已成為當(dāng)前主流的大電流放電的動(dòng)力鋰電池的正極材料。
1922年生于德國(guó)。二戰(zhàn)之前就讀于美國(guó)名校Yale大學(xué)，二戰(zhàn)后在芝加哥大學(xué)讀物理碩士。博士期間攻讀的固體物理，畢業(yè)之后到了MIT的美國(guó)空軍林肯實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始了固態(tài)化學(xué)的學(xué)習(xí)和研究。上世紀(jì)70年代，出于為不發(fā)達(dá)國(guó)家提供能源的美好心愿，開(kāi)始轉(zhuǎn)向能源方面的研究。研究中發(fā)現(xiàn)了嵌Li過(guò)程中尖晶石結(jié)構(gòu)和rock-salt結(jié)構(gòu)之間的相互轉(zhuǎn)化，同時(shí)結(jié)合具有穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)的聚陰離子型的材料，如硫酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽、鉬酸鹽、鎢酸鹽等，他與學(xué)生Akshaya Padhi做出了LiFePO4正極材料，被University of Montreal的Michel Armand相中，他覺(jué)得這個(gè)材料和自己開(kāi)發(fā)的電解質(zhì)很匹配，于是聯(lián)系上了Hydro-Quebec公司買(mǎi)下了這個(gè)專(zhuān)利。這個(gè)正極材料能夠進(jìn)行完全的充放電實(shí)驗(yàn)，并且廉價(jià)、對(duì)環(huán)境無(wú)污染。
這個(gè)成果是在1994年做出來(lái)的，但是老人家在1986年接受了University of Texas的邀請(qǐng)，來(lái)到Austin，受到基金的資助，作為終身教授，他沒(méi)有在67歲退休，至今仍然在工作，研究固體氧化物燃料電池等等。他說(shuō)：I am an old tiger enjoying working here。
鋰離子電池負(fù)極材料
理想的鋰離子電池負(fù)極材料應(yīng)滿足以下幾個(gè)特點(diǎn)：
（1）材料的可逆儲(chǔ)鋰容量大；
（2）鋰脫嵌電位適中（太低容易引起鋰沉積，太高不利于電池端電壓的提升）；
（3）材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以經(jīng)受長(zhǎng)期循環(huán)；
（4）表面能形成穩(wěn)定的SEI 膜；
（5）有較好的電子電導(dǎo)率，同時(shí)鋰離子易于在其內(nèi)部擴(kuò)散；
（6）制備工藝簡(jiǎn)單，原料來(lái)源豐富、廉價(jià)、無(wú)污染。
常見(jiàn)儲(chǔ)鋰機(jī)制
