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锂电池正极分类简介材料

锂电池正极分类简介材料

来源:
2021/04/20 14:22
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【摘要】:

  阴极材料分类

  理想的锂电池正极材料应该能够容纳大量的锂离子,具有较高的离子导电性和电子导电性,并且具有良好的稳定性。同时现有的负极材料也难以满足上述要求。因此,开发具有更好电化学性能的新型正极材料以及对现有材料的改性一直是锂电池负极材料领域的研究热点。目前,阳极材料可分为三种类型:嵌入式阳极材料、合金阳极材料和转换阳极材料。

  A.嵌入阴极材料

  最典型的嵌入阳极材料是碳。根据石墨化程度,碳材料可分为软碳、硬碳和石墨。常用的软碳材料有石油焦、针状焦、碳纤维、碳微球等。硬碳在2500℃以上很难石墨化。石墨放电容量为350 mAh/g,具有层状结构,同一层碳原子呈六边形排列,层间受范德华力作用。锂离子可以嵌在石墨层之间形成锂离子。石墨材料导电性好,结晶度高,充放电平台稳定,是锂电池最商用的正极材料。除石墨外,其他碳材料中锂的存储机理均相同。需要指出的是,硬碳材料比石墨具有更高的放电容量,因为硬碳结构除了具有与石墨相同的嵌入机理外,还存在一些微孔或缺陷,可用于Li+的存储和分解[15]。然而,由于循环效率低、容量电压变化大、放电平台不稳定,硬碳作为负极材料的应用受到限制。

  B.合金阳极材料

  锂合金储存材料是指能与锂合金反应的金属及其合金、中间相化合物和配合物。有报道称,锂在室温下可与锡、硅、锌、铝、锑、锗、铅、镁、钙、砷、铋、铂、银、金、镉、汞等金属反应,其充放电机理为合金化和反向合金化反应。一般来说,合金阳极材料的理论容量和电荷密度都远远高于嵌入阳极材料。同时,这种材料具有很高的嵌入锂、沉积锂的潜力,在大电流条件下很难充放电,锂和树枝晶不会出现,这会导致电池短路,这对大功率设备具有重要意义。

  C.转换阳极材料

  目前报道的过渡金属材料多达10种,包括Co、Ni、Mn、Fe、V、Ti、Mo、W、Cr、Cu、Ru等过渡金属元素的氧化物、硫化物、氮、磷酸盐、氟化物等。在过去,人们并不认为这种材料有希望。这种材料的空间结构中没有锂离子嵌入和逸出的空间,不符合传统的锂离子镶嵌机制。室温下与锂的反应被认为是不可逆的。直到发现一些过渡金属氧化物具有很高的可逆放电容量(是石墨的三倍),这种材料才逐渐引起了研究者的注意。2显示了一些转化后的类阳极材料的第一放电比电容。

  与上述三种正极材料不同,钛酸锂Li4Ti5O12的尖晶石结构也受到了越来越多的关注。Li4Ti5O12的工作电压为1.5V,与一般负极材料相比相对较高。在这个电压下,电解液不会分解。因此,采用钛酸锂作为电池的负极材料。此外,插入和去除锂离子前后钛酸锂材料的体积变化不大。作为一种具有卓越安全性能的零应变材料,已成为储能电站下一代锂电池的热门候选材料。

 

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