淺談鋰離子電池的原理及其發(fā)展趨勢(shì)
慧聰網(wǎng)廣電行業(yè)頻道 電動(dòng)車(chē)商情網(wǎng) 俠名 電動(dòng)車(chē)維修 2004-7-7 9
| 電子信息時(shí)代使對(duì)移動(dòng)電源的需求快速增長(zhǎng)。由于鋰離子電池具有高電壓、高容量的重要優(yōu)點(diǎn)，且循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好，使其在便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)、空間技術(shù)、國(guó)防工業(yè)等多方面具有廣闊的應(yīng)用前景，成為近幾年廣為關(guān)注的研究熱點(diǎn)。鋰離子電池的機(jī)理一般性分析認(rèn)為,鋰離子電池作為一種化學(xué)電源，指分別用兩個(gè)能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負(fù)極構(gòu)成的二次電池。當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子從正極中脫嵌，在負(fù)極中嵌入，放電時(shí)反之。鋰離子電池是物理學(xué)、材料科學(xué)和化學(xué)等學(xué)科研究的結(jié)晶。鋰離子電池所涉及的物理機(jī)理,目前是以固體物理中嵌入物理來(lái)解釋的,嵌入（intercalation）是指可移動(dòng)的客體粒子（分子、原子、離子）可逆地嵌入到具有合適尺寸的主體晶格中的網(wǎng)絡(luò)空格點(diǎn)上。電子輸運(yùn)鋰離子電池的正極和負(fù)極材料都是離子和電子的混合導(dǎo)體嵌入化合物。電子只能在正極和負(fù)極材料中運(yùn)動(dòng)。已知的嵌入化合物種類(lèi)繁多，客體粒子可以是分子、原子或離子．在嵌入離子的同時(shí)，要求由主體結(jié)構(gòu)作電荷補(bǔ)償，以維持電中性。電荷補(bǔ)償可以由主體材料能帶結(jié)構(gòu)的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)，電導(dǎo)率在嵌入前后會(huì)有變化。鋰離子電池電極材料可穩(wěn)定存在于空氣中與其這一特性息息相關(guān)。嵌入化合物只有滿足結(jié)構(gòu)改變可逆并能以結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)電荷變化才能作為鋰離子電池電極材料。 控制鋰離子電池性能的關(guān)鍵材料——電池中正負(fù)極活性材料是這一技術(shù)的關(guān)鍵，這是國(guó)內(nèi)外研究人員的共識(shí)。 1、正極材料的性能和一般制備方法 正極中表征離子輸運(yùn)性質(zhì)的重要參數(shù)是化學(xué)擴(kuò)散系數(shù),通常情況下，正極活性物質(zhì)中鋰離子的擴(kuò)散系數(shù)都比較低。鋰嵌入到正極材料或從正級(jí)材料中脫嵌，伴隨著晶相變化。因此，鋰離子電池的電極膜都要求很薄，一般為幾十微米的數(shù)量級(jí)。正極材料的嵌鋰化合物是鋰離子電池中鋰離子的臨時(shí)儲(chǔ)存容器。為了獲得較高的單體電池電壓，傾向于選擇高電勢(shì)的嵌鋰化合物。正極材料應(yīng)滿足： 1）在所要求的充放電電位范圍內(nèi)，具有與電解質(zhì)溶液的電化學(xué)相容性； 2）溫和的電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)； 3）高度可逆性； 4）全鋰化狀態(tài)下在空氣中的穩(wěn)定性。 研究的熱點(diǎn)主要集中在層狀LiMO2和尖晶石型LiM2O4結(jié)構(gòu)的化合物及復(fù)合兩種M（M為Co，Ni，Mn，V等過(guò)渡金屬離子）的類(lèi)似電極材料上。作為鋰離子電池的正極材料，Li＋離子的脫嵌與嵌入過(guò)程中結(jié)構(gòu)變化的程度和可逆性決定了電池的穩(wěn)定重復(fù)充放電性。正極材料制備中，其原料性能和合成工藝條件都會(huì)對(duì)最終結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。多種有前途的正極材料，都存在使用循環(huán)過(guò)程中電容量衰減的情況，這是研究中的首要問(wèn)題。已商品化的正極材料有Li1－xCoO2。 1）固相法 一般選用碳酸鋰等鋰鹽和鈷化合物或鎳化合物研磨混合后，進(jìn)行燒結(jié)反應(yīng)[10]。此方法優(yōu)點(diǎn)是工藝流程簡(jiǎn)單，原料易得，屬于鋰離子電池發(fā)展初期被廣泛研究開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的方法，國(guó)外技術(shù)較成熟；缺點(diǎn)是所制得正極材料電容量有限，原料混合均勻性差，制備材料的性能穩(wěn)定性不好，批次與批次之間質(zhì)量一致性差。 2）絡(luò)合物法 用有機(jī)絡(luò)合物先制備含鋰離子和鈷或釩離子的絡(luò)合物前驅(qū)體，再燒結(jié)制備。該方法的優(yōu)點(diǎn)是分子規(guī)�；旌�，材料均勻性和性能穩(wěn)定性好，正極材料電容量比固相法高，國(guó)外已試驗(yàn)用作鋰離子電池的工業(yè)化方法，技術(shù)并未成熟，國(guó)內(nèi)目前還鮮有報(bào)道。 3）溶膠凝膠法 利用上世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的制備超微粒子的方法，制備正極材料，該方法具備了絡(luò)合物法的優(yōu)點(diǎn)，而且制備出的電極材料電容量有較大的提高，屬于正在國(guó)內(nèi)外迅速發(fā)展的一種方法。缺點(diǎn)是成本較高，技術(shù)還屬于開(kāi)發(fā)階段[11]。 4）離子交換法 Armstrong等用離子交換法制備的LiMnO2，獲得了可逆放電容量達(dá)270mA·h/g高值，此方法成為研究的新熱點(diǎn)，它具有所制電極性能穩(wěn)定，電容量高的特點(diǎn)。但過(guò)程涉及溶液重結(jié)晶蒸發(fā)等費(fèi)能費(fèi)時(shí)步驟，距離實(shí)用化還有相當(dāng)距離。 正極材料的研究從國(guó)外文獻(xiàn)可看出,其電容量以每年30～50mA·h/g的速度(Tempo)在增長(zhǎng)，發(fā)展趨向于微結(jié)構(gòu)尺度越來(lái)越小，而電容量越來(lái)越大的嵌鋰化合物，原材料尺度向納米級(jí)挺進(jìn)，關(guān)于嵌鋰化合物結(jié)構(gòu)的理論研究已取得一定進(jìn)展，但其發(fā)展理論還在不斷變化中。困擾這一領(lǐng)域的鋰電池電容量提高和循環(huán)容量衰減的問(wèn)題，已有研究者提出添加其它組分來(lái)克服的方法[12][13][14][15][16][17]。但就目前而言，這些方法的理論機(jī)理并未研究清楚，導(dǎo)致日本學(xué)者Yoshio.Nishi認(rèn)為，過(guò)去十年以來(lái)在這一領(lǐng)域?qū)嵸|(zhì)進(jìn)展不大[1]，急須進(jìn)一步地研究。 2、負(fù)極材料的性能和一般制備方法 負(fù)極材料的電導(dǎo)率一般都較高，則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰的化合物，如各種碳材料和金屬氧化物�？赡娴厍度朊撉朵囯x子的負(fù)極材料要求具有： 1）在鋰離子的嵌入反應(yīng)中自由能變化小； 2）鋰離子在負(fù)極的固態(tài)結(jié)構(gòu)中有高的擴(kuò)散率； 3）高度可逆的嵌入反應(yīng)； 4）有良好的電導(dǎo)率； 5）熱力學(xué)上穩(wěn)定，同時(shí)與電解質(zhì)不發(fā)生反應(yīng)。 研究工作主要集中在碳材料和具有特殊結(jié)構(gòu)的其它金屬氧化物。石墨、軟碳、中相碳微球已在國(guó)內(nèi)有開(kāi)發(fā)和研究，硬碳、碳納米管、巴基球C60等多種碳材料正在被研究中[18][19][20][21][22][23]。日本Honda Researchand Development Co．，Ltd的K．Sato等人利用聚對(duì)苯撐乙烯（Polyparaphenylene——PPP）的熱解產(chǎn)物PPP－700（以一定的加熱速度(Tempo)加熱PPP至700℃，并保溫一定時(shí)間得到的熱解產(chǎn)物）作為負(fù)極，可逆容量高達(dá)680mA·h/g。美國(guó)MIT的M J Matthews報(bào)道PPP－700儲(chǔ)鋰容量（Storage capacity）可達(dá)1170mA·h/g。若儲(chǔ)鋰容量為1170mA·h/g，隨著鋰嵌入量的增加，進(jìn)而提高鋰離子電池性能，筆者認(rèn)為今后研究將集中于更小的納米尺度的嵌鋰微結(jié)構(gòu)。幾乎與研究碳負(fù)極同時(shí)，尋找電位與Li＋／Li電位相近的其他負(fù)極材料的工作一直受到重視。鋰離子電池中所用碳材料尚存在兩方面的問(wèn)題： 1）電壓滯后，即鋰的嵌入反應(yīng)在0～0．25V之間進(jìn)行（相對(duì)于Li＋／Li）而脫嵌反應(yīng)則在1V左右發(fā)生； 2）循環(huán)容量逐漸下降，一般經(jīng)過(guò)12～20次循環(huán)后，容量降至400～500mA·h/g。 理論上的進(jìn)一步深化還有賴(lài)于各種高純度、結(jié)構(gòu)規(guī)整的原料及碳材料的制備和更為有效的結(jié)構(gòu)表征方法的建立。日本富士公司開(kāi)發(fā)出了鋰離子電池新型錫復(fù)合氧化物基負(fù)極材料，除此之外，已有的研究主要集中于一些金屬氧化物，其質(zhì)量比能量較碳負(fù)極材料大大提高。如SnO2，WO2，MoO2，VO2，TiO2，LixFe2O3，Li4Ti5O12，Li4Mn5O12等[24]，但不如碳電極成熟。鋰在碳材料中的可逆高儲(chǔ)存機(jī)理主要有鋰分子Li2形成機(jī)理、多層鋰機(jī)理、晶格點(diǎn)陣機(jī)理、彈性球－彈性網(wǎng)模型、層－邊端－表面儲(chǔ)鋰機(jī)理、納米級(jí)石墨儲(chǔ)鋰機(jī)理、碳－鋰－氫機(jī)理和微孔儲(chǔ)鋰機(jī)理。石墨，作為碳材料中的一種，早就被發(fā)現(xiàn)它能與鋰形成石墨嵌入化合物（Graphite Intercalation Compounds）LiC6，但這些理論還處于發(fā)展階段。負(fù)極材料要克服的困難也是一個(gè)容量循環(huán)衰減的問(wèn)題，但從文獻(xiàn)可知，制備高純度和規(guī)整的微結(jié)構(gòu)碳負(fù)極材料是發(fā)展的一個(gè)方向。 一般制備負(fù)極材料的方法可綜述如下。 1）在一定高溫下加熱軟碳得到高度石墨化的碳；嵌鋰石墨離子型化合物分子式為L(zhǎng)iC6，其中的鋰離子在石墨中嵌入和脫嵌過(guò)程動(dòng)態(tài)變化，石墨結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能的關(guān)系，不可逆電容量損失原因和提高方法等問(wèn)題，都得到眾多研究者的探討。 2）將具有特殊結(jié)構(gòu)的交聯(lián)樹(shù)脂在高溫下分解得到的硬碳,可逆電容量比石墨碳高，其結(jié)構(gòu)受原料影響較大，但一般文獻(xiàn)認(rèn)為這些碳結(jié)構(gòu)中的納米微孔對(duì)其嵌鋰容量有較大影響，對(duì)其研究主要集中于利用特殊分子結(jié)構(gòu)的高聚物來(lái)制備含更多納米級(jí)微孔的硬碳[25][26][27]。 3）高溫?zé)岱纸庥袡C(jī)物和高聚物制備的含氫碳[28][29]。這類(lèi)材料具有600～900mA·h/g的可逆電容量，因而受到關(guān)注，但其電壓滯后和循環(huán)容量下降的問(wèn)題是其最大應(yīng)用障礙。對(duì)其制備方法的改進(jìn)和理論機(jī)理解釋將是研究的重點(diǎn)。 4）各種金屬氧化物其機(jī)理與正極材料類(lèi)似[24]，也受到研究者的注意，研究方向主要是獲取新型結(jié)構(gòu)或復(fù)合結(jié)構(gòu)的金屬氧化物。 5）作為一種嵌鋰材料，碳納米管、巴基球C60等也是當(dāng)前研究的一個(gè)新熱點(diǎn)，成為納米材料研究的一個(gè)分支。碳納米管、巴基球C60的特殊結(jié)構(gòu)使其成為高電容量嵌鋰材料的最佳選擇[22][23][30]。從理論上說(shuō)，納米結(jié)構(gòu)可提供的嵌鋰容量會(huì)比目前已有的各種材料要高，其微觀結(jié)構(gòu)已被廣泛研究并取得了很大進(jìn)展，但如何制備適當(dāng)堆積方式以獲得優(yōu)異性能的電極材料，這應(yīng)是研究的一個(gè)重要方向[31][32][33]。 3、結(jié)語(yǔ) 綜上所述，近年來(lái)鋰離子電池中正負(fù)極活性材料的研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用，在國(guó)際上相當(dāng)活躍，并已取得很大進(jìn)展。材料的晶體結(jié)構(gòu)規(guī)整，充放電過(guò)程中結(jié)構(gòu)不發(fā)生不可逆變化是獲得比容量高，循環(huán)壽命長(zhǎng)的鋰離子電池的關(guān)鍵。然而，對(duì)嵌鋰材料的結(jié)構(gòu)與性能的研究仍是該領(lǐng)域目前最薄弱的環(huán)節(jié)。鋰離子電池的研究是一類(lèi)不斷更新的電池體系，物理學(xué)和化學(xué)的很多新的研究成果會(huì)對(duì)鋰離子電池產(chǎn)生重大影響，比如納米固體電極，有可能使鋰離子電池有更高的能量密度和功率密度，從而大大增加鋰離子電池的應(yīng)用范圍。總之，鋰離子電池的研究是一個(gè)涉及化學(xué)、物理、材料、能源、電子學(xué)等眾多學(xué)科的交叉領(lǐng)域。目前該領(lǐng)域的進(jìn)展已引起化學(xué)電源界和產(chǎn)業(yè)界的極大興趣。可以預(yù)料，隨著電極材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系研究的深入，從分子水平上設(shè)計(jì)出來(lái)的各種規(guī)整結(jié)構(gòu)或摻雜復(fù)合結(jié)構(gòu)的正負(fù)極材料將有力地推動(dòng)鋰離子電池的研究和應(yīng)用。鋰離子電池將會(huì)是繼鎳鎘、鎳氫電池之后，在今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，市場(chǎng)(Rialto)前景最好、發(fā)展最快的一種二次電池。（蘇力宏 喬生儒 肖軍 黃英） |
品牌專(zhuān)修:( 關(guān)鍵字：淺談鋰離子電池的原理及其發(fā)展趨勢(shì)電動(dòng)車(chē)維修材料,正極,負(fù)極,鋰離子電池,結(jié)構(gòu))
-
大運(yùn)
依維柯
五菱陽(yáng)
西沃客
清雪車(chē)
榮威7
千里馬
黑豹
萬(wàn)象大
臺(tái)鈴
德國(guó)曼
華晨金
英克萊
御翔
利亞納
上饒客
帕薩特
雪佛蘭
中意
福特
建設(shè)
布加蒂
開(kāi)迪
軒逸
輕騎
珠峰
牡丹客
精功
挖掘車(chē)
沈飛日
QQ
奔馬
驪威
本田
菱紳
海域
邁騰
高仕
黃明客
力帆5
思迪
威志
速騰
奧茲莫
北斗星
汽罐車(chē)
川馬客
愛(ài)麗舍
中通客
大宇
萬(wàn)豐
伊利薩
升降車(chē)
帕拉丁
帕杰羅
派力奧
奔馳
友誼客
江南精
伊蘭特
阿米尼
凱迪拉
亞星奔
京通客
斯太爾
雷克薩
長(zhǎng)安
豹風(fēng)
小飛哥
三菱
道奇
勞斯萊
安凱
豪沃豪
派朗
牽引車(chē)
同心客
錢(qián)江
松花江
南方
五十鈴
頤達(dá)
庫(kù)斯特
斯柯達(dá)
金陵雙
羊城客
森地
掃雷車(chē)
長(zhǎng)安
吉利
Sci
雷諾卡
兩棲車(chē)
羚羊
水星
奔奔
雅紳特
Vol
解放
小鳥(niǎo)
昌河
羅孚
東風(fēng)杭
速派奇
日野汽
更多品牌專(zhuān)修
配件展示: 更多商品展示
相關(guān)評(píng)論: 請(qǐng)自覺(jué)遵守互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)政策法規(guī)，作者可以直接刪除惡意評(píng)論、廣告或違禁詞語(yǔ)
|
|
汽修百科目錄索引
相關(guān)汽修改知識(shí)
- 購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)自行車(chē)應(yīng)注意
- “爬坡大王”電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)(Ria
- 我國(guó)太陽(yáng)(solara)電池研
- 綠色環(huán)保汽車(chē)的分類(lèi)
- 風(fēng)力助動(dòng)自行車(chē)研制成功
- 消協(xié)教買(mǎi)電動(dòng)自行車(chē)
- 地樁鎖：電動(dòng)車(chē)防盜法寶
- 蓄電池用完了怎么辦？
- 電動(dòng)車(chē)電池選購(gòu)指南
- 鋰離子動(dòng)力電池獲突破性進(jìn)展
- 可修復(fù)鉛酸蓄電池的檢測(cè)與篩選
- 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)及氫源成套技術(shù)計(jì)
- 我國(guó)非晶硅薄膜太陽(yáng)(solar
- 大化所研制的質(zhì)子交換膜燃料電池
- 續(xù)行里程：春蘭電動(dòng)自行車(chē)最長(zhǎng)
- 給電動(dòng)車(chē)一顆健全的“心”
- 電池的選購(gòu)常識(shí)
- 電動(dòng)自行車(chē)用車(chē)必讀
- 鋰離子電池的發(fā)展趨勢(shì)
- 燃料電池：引領(lǐng)汽車(chē)能源系統(tǒng)新潮
- “廢舊”電池起死回生
- 燃料電池的發(fā)展及其應(yīng)用
- 燃料電池及其關(guān)鍵材料發(fā)展趨勢(shì)
- EABS電子剎車(chē)系統(tǒng)
- 我國(guó)鋰動(dòng)力電池研發(fā)取得新進(jìn)展
- 電動(dòng)自行車(chē)的總體設(shè)計(jì)
- 煙臺(tái)將產(chǎn)“綠色電池”
- 鎳氫電池貯氫合金材料初具產(chǎn)業(yè)規(guī)
- 燃料電池轎車(chē)研制成功
- 新型鎳氫電池貯氫合金材料
- 蓄電池連續(xù)80次零下40度照樣
- 預(yù)防蓄電池電解液結(jié)冰的措施
