鋰離子電池正負極材料有什么區(qū)別

來源：存能電氣  日期：2019-07-24 10:23  瀏覽量：次

　　鋰離子電池正負極材料有什么區(qū)別？鋰離子電池分布在我們生活的每一個角落，作為電能的載體和眾多設備的動力來源，可以說，離開了鋰離子電池，當今的物質(zhì)世界就玩不轉(zhuǎn)了。我們經(jīng)常會看到磷酸鐵鋰，三元等專業(yè)的鋰離子電池術(shù)語，這些都是根據(jù)鋰離子電池正極材料來區(qū)分鋰離子電池的類型。相對來講，鋰離子電池的正、負極材料對電池性能的影響比較大，是大家比較關(guān)心的方面。那么，鋰離子電池正負極材料有什么區(qū)別？

　　鋰離子電池的基本構(gòu)成

　　鋰離子電池內(nèi)部需要包含幾種基本材料：正極活性物質(zhì)、負極活性物質(zhì)、隔離膜、電解質(zhì)。

　　鋰離子電池正負極材料的區(qū)別

　　負極主要是用的石墨，是C的一種，正極使用的過度金屬的氧化物，如鈷酸鋰或者是錳酸鋰，磷酸鐵鋰等。

　　正極的電位高于負極，兩者的電勢差構(gòu)成了電池的電壓。

　　鋰離子電池正極材料

　　正極材料是決定鋰離子電池性能的關(guān)鍵材料之一，也是目前商業(yè)化鋰離子電池中主要的鋰離子來源，其性能和價袼對鋰離子電池的影響較大。目前研制成功并得到應用的正極材料主要有鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元材料鎳鈷錳酸鋰(NCM)和鎳鈷鋁酸鋰(NCA)等。

　　1、鈷酸鋰

　　鈷酸鋰由于具有生產(chǎn)工藝簡單和電化學性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，所以最先實現(xiàn)商品化。同時由于鈷酸鋰具有工作電壓高、充放電電壓平穩(wěn)，適合大電流充放電，比能量高、循環(huán)性能好等優(yōu)點，在需要小型充電電池的領(lǐng)域中具有重要應用。鈷酸鋰正極材料的缺點是價格昂貴，實際比容量僅為其理論容量的274mAh/g的50%左右；鈷酸鋰的循環(huán)壽命已達到1000次，但仍有待于進一步提高；此外鈷酸鋰的抗過充電性能較差，在較高充電電壓下比容量迅速降低。

　　2、三元材料

　　近幾年來層狀嵌鋰多元過渡金屬復合型正極材料發(fā)展迅速，尤其是含有鈷鎳錳三種元素的新型過渡金屬嵌鋰氧化物復合材料。

　　3、錳酸鋰

　　與鈷酸鋰和鎳酸鋰相比，錳酸鋰具有安全性好、耐過充性好、原料錳的資源豐富、價格低廉及無毒性等優(yōu)點，是很有發(fā)展前途的一種正極材料。層狀錳酸鋰用作鋰離子電池正極材料的缺點是雖然容量很高，但在高溫下不穩(wěn)定，而且在充放電過程中易向尖晶石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，導致容量衰減過快。

　　4、磷酸鐵鋰

　　隨著動力電池的發(fā)展，國內(nèi)廠家大多傾向于采用磷酸鐵鋰材料。它是一類新型的鋰離子電池用正極材料。該類材料具有高的能量密度、低廉的價格、優(yōu)異的安全性等特點，特別適用于動力電池。它的出現(xiàn)是鋰離子電池材料的一項重大突破，現(xiàn)已成為各國競相研究的熱點。目前磷酸鐵鋰被認為是最有發(fā)展前途的動力電池正極材料。由于磷酸鐵鋰生產(chǎn)技術(shù)門檻很高，大多數(shù)生產(chǎn)廠商在批量生產(chǎn)時產(chǎn)品的穩(wěn)定性難以保證。它的缺點是電阻率較大，電極材料利用率低。因此研究工作主要集中在解決其導電率問題上。此外磷酸鐵鋰的專利問題也是其產(chǎn)業(yè)過程中的一個需要解決的問題。

　　鋰離子電池負極材料

　　鋰電池主要負極材料有錫基材料、鋰基材料、鈦酸鋰、碳納米材料、石墨烯材料等。鋰電池負極材料的能量密度是影響鋰電池能量密度的主要因素之一。

　　1、碳納米管

　　碳納米管是一種石墨化結(jié)構(gòu)的碳材料，自身具有優(yōu)良的導電性能，同時由于其脫嵌鋰時深度小、行程短，作為負極材料在大倍率充放電時極化作用較小，可提高電池的大倍率充放電性能。

　　然而，碳納米管直接作為鋰電池負極材料時，會存在不可逆容量高、電壓滯后及放電平臺不明顯等問題。如Ng等采用簡單的過濾制備了單壁碳納米管，將其直接作為負極材料，其首次放電容量為1700mAh/g，可逆容量僅為400mAh/g。

　　2、石墨烯

　　2004年英國Manchester大學研究者首次發(fā)現(xiàn)石墨烯材料，并獲得諾貝爾獎。石墨烯是一種由碳六元環(huán)形成的新型碳材料，具有很多優(yōu)異的性能，如大比表面、高導熱系數(shù)、高電子導電性和良好的機械性能，被作為鋰離子電池材料而備受關(guān)注。

　　3、鈦酸鋰

　　尖晶石型鈦酸鋰被作為一種備受關(guān)注的負極材料，因具有如下優(yōu)點：

　　1)鈦酸鋰在脫嵌鋰前后幾乎“零應變”；

　　2)嵌鋰電位較高(1.55V)，避免“鋰枝晶”產(chǎn)生，安全性較高；

　　3)具有很平坦的電壓平臺；

　　4)化學擴散系數(shù)和庫倫效率高。

　　4、硅基材料

　　硅作為鋰離子電池理想的負極材料，具有如下優(yōu)點：

　　1)硅可與鋰形成Li4.4Si合金，理論儲鋰比容量高達4200mAh/g(超過石墨比容量的10倍)；

　　2)硅的嵌鋰電位(0.5V)略高于石墨，在充電時難以形成“鋰枝晶”；

　　3)硅與電解液反應活性低，不會發(fā)生有機溶劑的共嵌入現(xiàn)象。　　

　　5、錫合金

　　SnCoC是錫合金負極材料中商業(yè)化較成功的一類材料，其將Sn、Co、C三種元素在原子水平上均勻混合，并非晶化處理而得，該材料能有效抑制充放電過程中電極材料的體積變化，提高循環(huán)壽命。

　　6、錫氧化物

　　SnO2因具有較高的理論比容量(781mAh/g)而備受關(guān)注，然而，其在應用過程中也存在一些問題：首次不可逆容量大、嵌鋰時會存在較大的體積效應(體積膨脹250%～300%)、循環(huán)過程中容易團聚等。實驗表明，石墨作為載體，不僅能將SnO2顆粒分散得更均勻，而且能有效抑制顆粒團聚，提高材料的循環(huán)穩(wěn)定性。

　　隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對電池新材料需求的不斷增加，再加上手機、筆記本電腦、數(shù)碼相機、攝像機、汽車等產(chǎn)品對新型、高效、環(huán)保電池材料的強勁需求，我國電池新材料市場將不斷擴大。鋰電池負極材料把握動力電池安全性命脈，在鋰離子電池負極材料中，除石墨化中間相碳微球、無定形碳、硅或錫類占據(jù)小部分市場份額外，天然石墨和人造石墨占據(jù)著90%以上的負極材料市場份額。鋰電池作為電池未來發(fā)展方向，其正負極材料市場發(fā)展前景十分好。