1、新型能源材料之锂离子电池与电池材料 化学电池 按化学电源的工作性质及储存方式不同 化学电池有以下类别 a 一次电池 反应不可逆 正负电极上的活性物质只能使用一次 如 锌 猛电池 锌 汞电池 b 储备电池 电池正负活性物质和电解质在储备期间不直接接触 在使用时借助动力源作用于电解质 使电池激活工作如 镁 银电池 锌 银电池 c 燃料电池 正负极本身不包含活性物质 但活性物质被连续注入电池 电池不断进行发电 如 碱性燃料电池 固体氧化物燃料电池 五类d 蓄电池 电能以化学能形式储存起来 实现电池两极的可逆放电反应 可循环使用 如 铅酸电池 镍 氢电池 锂离子电池 锂离子电池与锂电池的区别 早期的锂
2、电池锂离子电池 Li ionBatteries 是锂电池发展而来 所以在介绍之前 先介绍锂电池 举例来讲 以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池 锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯 负极是锂 电池组装完成后电池即有电压 不需充电 这种电池也可以充电 但循环性能不好 在充放电循环过程中 容易形成锂结晶 造成电池内部短路 所以一般情况下这种电池是禁止充电的 锂离子电池 炭材料锂电池后来 日本索尼公司发明了以炭材料为负极 以含锂的化合物作正极的锂电池 在充放电过程中 没有金属锂存在 只有锂离子 这就是锂离子电池 当对电池进行充电时 电池的正极上有锂离子生成 生成的锂离子经过电解液运动到负极 而作为负
3、极的碳呈层状结构 它有很多微孔 达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中 嵌入的锂离子越多 充电容量越高 同样 当对电池进行放电时 即我们使用电池的过程 嵌在负极碳层中的锂离子脱出 又运动回正极 回正极的锂离子越多 放电容量越高 目前所说的锂离子电池通常为锂二次电池 锂离子电池的商品化 1990年日本SONY公司正式推出LiCoO2 石墨这种锂离子电池 该电池成功的利用能可逆脱嵌锂的碳材料替代金属锂作为负极 克服了锂二次电池循环寿命低 安全性差的缺点 从而锂离子电池得以商品化 锂离子电池具有电压高 比能量高 无记忆效应 无污染等特点 从问世以来已广泛用于电子设备中 锂离子电池工作原理 锂离子电池工
4、作原理图 锂离子电池正极材料 正极材料在性能上应满足 a 在要求的充放电电位范围内 与电解质溶液具有相容性b 温和的电极过程动力学c 高度可逆性其结构具有以下作用 a 保证电极具有良好的可逆性能b 保证电池的充放电电压平稳c 使电池具有良好的快速充放电性能 常见锂离子电池的正极材料 a 氧化钴锂 b 锂镍氧化物 c 尖晶石型Li2MnO4 d 其他锂离子正极材料 锂钒氧化物 导电聚合物 提高氧化钴锂的容量 改善循环性能的方法有 1 加入铝 铁 锰等元素 稳定层状结构 改善稳定性 延长循环寿命2 引入杂原子以及一些非晶物 使氧化锂钴的晶界结构部分变化 提高电极结构变化的可逆性3 在电极材料中加入
5、钙离子或氢离子 改善电极导电 提高点击活性物质的利用率和快速充放电能力4 引入过量的锂 增加电极可逆容量 锂镍氧化物 理论容量为274mA h g 实际容量已达190 210mA h g 其自放电率低 无环境污染 对电解液的要求较低与氧化钴锂相比 氧化锂镍具有下列优势 a 镍比钴便宜b 可采储量镍约为钴的145倍c 氧化钴锂与氧化锂镍晶型相同 容易取代 尖晶石型Li2MnO4 1 Li2MnO4的理论容量为148mA h g 而在实际中LixMn2O4的x值在0 15 1之间变化 因而实际可逆容量一般在120mA h g左右 2 在锂离子电池的应用中 Li2MnO4正极材料存在的主要问题是高温工作时电极的循环性能和存放性能较差3 制备Li2MnO4的方法有高温固相反应法 化学共沉淀法 溶胶凝胶法 熔盐浸渍法 模板法等 锂离子电池负极材料 a 以前采用金属锂作为负极b 目前采用炭材料作为负极材料 如 石墨 炭纤维 无定形炭 石油焦等c 锂离子电池负极材料还可以选用合金 氧化物等其它材料 如 锂合金和非锂合金 氧化铁锂 氧化钛锂等 end
