關(guān)于鋰離子電池復(fù)合電極材料的研究

摘 要 隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)鋰離子電池的安全性、成本和壽命等提出了更高的要求。傳統(tǒng)的鋰離子電池體系已經(jīng)無(wú)法滿足這些要求，直接生長(zhǎng)在集流體上的納米氧化物電極材料引起了人們的重視。該方法避免了使用導(dǎo)電乙炔黑、黏結(jié)劑等輔助材料，制備方法簡(jiǎn)單，活性材料與集流體直接接觸，為鋰離子的傳輸提供了通道。

關(guān)鍵詞 集流體;納米材料;鋰離子電池

引言

近年來(lái)，隨著電子科技的迅速發(fā)展，混合電動(dòng)汽車等動(dòng)力設(shè)備的逐漸普及，人們對(duì)電池的要求也越來(lái)越高。其中鋰離子電池因具有自放電率低、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性高、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。鋰離子電池應(yīng)用的關(guān)鍵條件是研發(fā)新的高性能、大功率鋰離子電池電極材料，本文主要對(duì)集流體上直接生長(zhǎng)納米活性電極材料的復(fù)合電極進(jìn)行概述。

1鋰離子電池概述

鋰離子電池的電極材料因?yàn)榕c金屬鋰發(fā)生可逆的嵌入反應(yīng)而進(jìn)行工作。在充電過(guò)程中，金屬鋰在外場(chǎng)的作用下失去電子，從正極活性物質(zhì)LiCoO2的晶格中脫出來(lái)，通過(guò)電解液和隔膜，嵌入到負(fù)極材料中。充電結(jié)束后，正極形成CoO2相，負(fù)極的石墨呈富鋰態(tài)。在放電過(guò)程中，鋰離子得到電子，從負(fù)極材料中脫出，經(jīng)過(guò)電解液重新嵌入正極材料中。放電結(jié)束后，正極材料被還原成LiCoO2，負(fù)極的石墨呈貧鋰態(tài)。鋰離子電池主要包括正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)、隔膜和集流體等[1]。

2鋰離子電池正極材料

從鋰離子電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以看出正極材料是鋰離子電池的重要組成部分，相比于負(fù)極材料，其比容量較低，研究較為滯后[2]，所以我們要改善正極材料，提高鋰離子電池性能，正極材料應(yīng)滿足以下條件：正極材料應(yīng)能允許大量可逆的嵌入和脫出Li十，以得到高的可逆容量;基體結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較小的分子量和摩爾體積，以獲得較高的質(zhì)量能量密度和體積能量密度;在整個(gè)電化學(xué)過(guò)程中，Li+的嵌入和脫出應(yīng)該可逆，且主體結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生變化或者發(fā)生微量變化;具有較好的電子電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率，減少極化，提高電池充放電的電流密度;制備工藝簡(jiǎn)單，成本低，對(duì)環(huán)境污染小。

3鋰離子電池負(fù)極材料

最初鋰離子電池的負(fù)極材料是金屬鋰，但存在枝晶化問(wèn)題，造成安全隱患。后來(lái)由鋰合金電極代替，但是在充放電過(guò)程中，電極材料會(huì)粉化，循環(huán)性能降低[3]。直到碳材料的應(yīng)用，負(fù)極材料的安全問(wèn)題才得以解決。理想的負(fù)極材料應(yīng)滿足以下條件：自由能在鋰化反應(yīng)中是變小的;Li嵌脫的過(guò)程中，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，以獲得較高的循環(huán)壽命;反應(yīng)高度可逆，容量大，能量密度高;e-和Li+的運(yùn)輸阻抗要低，以提高充放電倍率;鋰離子在固態(tài)結(jié)構(gòu)中有較高的擴(kuò)散率;熱力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，化學(xué)穩(wěn)定性好，不與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，以提高電池的安全性、循環(huán)性，降低自放電率;資源豐富，制備工藝簡(jiǎn)單，制造及使用成本低，環(huán)境友好。

4集流體的設(shè)計(jì)

鋰離子電池材料因工作電壓高、自放電率低、安全性能高等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ亩坞姵?。然而，電解液向電極材料的滲透，鋰離子嵌入脫出速率低，單位面積電極對(duì)活性材料的承載量低等缺點(diǎn)限制了鋰離子電池的發(fā)展。為了避免上述缺點(diǎn)，提高鋰離子的性能，包括納米線、納米帶、納米片、納米管等在內(nèi)的納米級(jí)別的電極材料被應(yīng)用于鋰離子電池。

而另外一種更有效提高鋰離子電池性能的方法是在集流體上直接生長(zhǎng)納米活性電極材料。用熱溶劑法在鈦箔上合成納米四氧化三鈷陣列，比容量高達(dá)788.7mAh·g-1，達(dá)到理論比容量的88.6%。在碳布上直接生長(zhǎng)Co3O4納米線作為負(fù)極材料，穩(wěn)定放電比容量可以達(dá)到1000mAh·g-1。不僅具有良好的電化學(xué)性能，而且可以用于制造柔性電極，應(yīng)用前景廣泛。在特殊納米結(jié)構(gòu)的金屬鎳基底上生長(zhǎng)片狀MnO2，形成三維復(fù)合電極。該復(fù)合電極在369mAh·g-1的電流密度下，比容量可高達(dá)1142mAh·g-1，表現(xiàn)出了良好的可逆循環(huán)性能。用水熱法在鈦箔上合成3D結(jié)構(gòu)花狀微米級(jí)FeF3·0.33H2O陣列，在10C的倍率下循環(huán)，仍然可以達(dá)到101mAh·g-1的高比容量。用PVD法在鋁箔上沉積出V2O5納米帶，首次放電比容量可以達(dá)到0.25mAh·cm-2，但是該方法工藝復(fù)雜，溫度高，能量消耗大。在不銹鋼網(wǎng)上生長(zhǎng)V2O5納米線，但是比容量在50個(gè)循環(huán)后急劇下降，最后采用Ppy包覆，性能得以改善，100個(gè)循環(huán)以后仍然可以達(dá)到81.5m A h·g-1。

5結(jié)束語(yǔ)

這種納米級(jí)別的活性材料直接生長(zhǎng)在集流體上的復(fù)合電極材料具有以下優(yōu)勢(shì)：

①活性材料與集流體有良好的接觸，結(jié)合牢固，降低了電極內(nèi)阻。②增大電極的比表面積，使活性材料與電解液充分接觸。③縮短了鋰離子擴(kuò)散距離，提高了電子的傳輸速率，改善了電極的循環(huán)性能。④不需要添加黏結(jié)劑和炭黑等輔助材料，使電極制備過(guò)程簡(jiǎn)單方便。

因此，采用在金屬極片（集流體）上直接生長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)釩氧化物電極材料，以提高鋰離子電池性能。

參考文獻(xiàn)

[1] Dunn B，Kamath H，Tarascon J M . Electrical Energy Storage for the Grid： A Battery of Choices[J]. Science，2011，334（6058）：928-935.

[2] 楊新，劉學(xué)武，劉貴昌，等.鋰離子電池正極材料LiMnPO₄/C的合成研究[J].電化學(xué)，2011（3）：306-311.

[3] 馬榮駿.鋰離子電池負(fù)極材料的研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].有色金屬，2008（60）：38-45.

作者簡(jiǎn)介

陳靜（1992-），學(xué)歷：碩士，專利審查員，現(xiàn)就職單位：國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，研究方向：鋰離子電池材料。