锂离子电池正极材料知识培训

锂离子电池正极材料知识1.锂离子电池的结构2.正极材料的选择3.各种正极材料3.1LiCoO23.2LiNiO23.3三元3.4LiFePO41.锂离子电池的结构发展高能锂离子电池的关键技术之一就是正极材料的开发。近几年来，负极材料和电解质的研究都取得了较大的进展，相对而言，正极材料的发展较为缓慢，商品化锂离子电池中正极材料的比容量远远小于负极材料，成为制约锂离子电池整体性能进一步提高的重要因素。因此，正极材料的研究受到越来越多的重视。2.锂离子电池正极材料的选择作为理想的锂离子电池正极材料，锂离子嵌入化合物必须满足以下要求：（1）具有较高的氧化还原电位，保证锂离子电池的高电压特性；LiCoO2（Li+/Li）Graphite（Li+/Li）（2）允许大量的锂离子嵌入脱出，保证锂离子电池的高容量特性；理论容量的计算：C0=26.8nm/MCo----理论容量；n----成流反应的得失电子数；m----活性物质完全反应的质量；M----活性物质的摩尔质量以LiCoO2为例：Co=96500/M=96500*1000/3600*98=273mAh/gLiNiO2为274mAh/g；LiMn2O4为148mAh/g，LiFePO4为170mAh/g。（3）嵌入脱出过程的可逆性好，充放电过程中材料结构变化较小；（4）锂离子能够快速的嵌入和脱出，具有高的电子导电率和离子导电率；（5）在电解液中化学稳定性好；（6）低廉，容易制备，对环境友好等。目前研究较多的锂离子电池正极材料有LiCoO2、镍钴二元，镍钴锰、锰类化合物、LiFePO4等。LiCoO2最早是由Goodenough等人在1980年提出可以用于锂离子电池的正极材料，之后得到了广泛的研究。LiCoO2具有合成方法简单，工作电压高，充放电电压平稳，循环性能好等优点，是最早用于商品化的锂离子电池的正极材料，也是目前应用最广泛的正极材料。3.1LiCoO23.锂离子电池正极材料LiCoO2具有-NaFeO2结构，属六方晶系，R-3m空间群，其中6c位上的O为立方密堆积，3a位的Li和3b位的Co分别交替占据其八面体孔隙，在[111]晶面方向上呈层状排列，理论容量为274mAh/g。123Co3+(3b)O2(6c)Li+(3a)43.1.1LiCoO2的结构从电子结构来看，由于Li+（1s2）能级与O2（2p6）能级相差较大，而Co3+（3d6）更接近于O2（2p6）能级，所以Li-O间电子云重叠程度小于Co-O间电子云重叠程度，Li-O键远弱于Co-O键，在一定的条件下，Li+离子能够在CoO层间嵌入脱出，使LiCoO2成为理想的锂离子电池嵌基材料。由于锂离子在键合强的CoO层间进行二维运动，锂离子导电率高；另外，共棱的CoO6的八面体分布使Co与Co之间以Co-O-Co的形式发生作用，电子导电率也较高。（003）衍射峰反映的是六方结构，而（104）衍射峰反映的是六方结构和立方结构的总和。根据文献报道，I(003)/I(104)和c/a比值越大，(006)/(102)和(108)/(110)分裂越明显，说明材料的六方晶胞有序化程度越高，越接近于理想的六方结构，晶体结构越完整。一般的，c/a比值应大于4.90，I(003)/I(104)比值应大于1.20。LiCoO2的理论容量为274mAh/g，但在实际应用时，锂离子从LixCoO2中可逆嵌脱最多为0.5个单元，实际容量只有140mAh/g左右。LixCoO2在x=0.5附近会发生六方到单斜的结构相变，同时晶胞参数发生微小变化。当x0.5时，LixCoO2中的钴离子将从其所在的平面迁移到锂所在的平面，导致结构不稳定而使钴离子通过锂离子所在的平面迁移到电解液中，并且此时钴（CoO2）的氧化性很强，容易和电解液发生反应失氧，造成很大的不可逆容量损失。因此在实用锂离子电池中，0x0.5，充放电电压上限为4.2V，在此范围内，LiCoO2具有平稳的电压平台（约3.9V），充放电过程中不可逆容量损失小，循环性能非常好。3.1.2LiCoO2的电化学行为LiCoO2充放电过程中的结构相变零应力表面处理充电过程中，随着脱锂，电导率会剧增6个数量级，达到1S/cm;充电过程中，c轴变长，a轴变短，晶胞体积变大充放电过程中的导电率和晶胞体积变化总之，作为锂离子电池正极材料，LiCoO2具有下列特点：1.合成方法比较简单；2.工作电压高，充放电电压平稳，循环性能好；3.实际容量较低，只有理论容量的一半；4.钴资源有限，价格昂贵；5.钴毒性较大，环境污染大与LiCoO2相似，理想的LiNiO2为-NaFeO2型六方层状结构，属R-3m空间群，Li和Ni分别占据3a位和3b位，LiNiO2正极材料的理论容量为275mAh/g，实际容量达到180-200mAh/g。相对于LiCoO2而言，镍的储量比钴大，价格便宜，而且环境污染小。3.2LiNiO2与LiCoO2相比，LiNiO2的制备条件比较苛刻，其组成和结构随合成条件的改变而变化。因为Ni2+难于氧化，按照制备LiCoO2的工艺合成出的LiNiO2几乎不具备电化学活性，必须要在含有O2的气氛中进行反应，合成的产物往往是非整比的LixNi2-xO2。在这种非整比产物中，部分Ni2+占据Li+位置（3a），在锂位产生部分无序的阳离子分布，降低了材料的结构有序性，为了维持Ni2+进入Li-O层后体系的电中性平衡，Ni-O层中也必然有等量的Ni2+存在（3b），化学式可以表示为[Li+yNi2+1-y]3a[Ni2+1-yNi3+y]3bO22，这就是“阳离子混排”现象。LixNi2-xO2的非整比性对其电化学性能有较大的影响。LixNi2-xO2中占据锂位（3a）的Ni2+离子在首次充电（脱锂）时，会被氧化成半径更小的Ni3+离子甚至Ni4+离子，使层间距不可逆的减小，造成该离子附近结构的塌陷，在随后的嵌锂过程中，Li+离子将难于回到已塌陷的位置，从而造成放电（嵌锂）时容量的不可逆损失，这种不可逆损失与占据锂位的Ni2+离子的量有直接关系。充放电曲线表现出明显的充放电平台，LixNiO2在充放电过程中经历了几个相变过程，每个平台对应一个相变过程。六方（R1）单斜（M）六方（R2）晶体破坏充放电稳定性劣化严重钴和镍是同一周期的相邻元素，二者具有相近的电子排布和原子半径，在LiNiO2中掺入Co部分取代Ni，可以形成化学式为LiNi1yCoyO2(0y1)的完全固溶体。LiNi1yCoyO2与LiNiO2和LiCoO2一样，具有-NaFeO2型层状结构（R-3m空间群），理论容量为275mAh/g，作为锂离子电池正极材料兼有LiNiO2和LiCoO2的优点，比容量高，循环性能好，价格便宜，污染小，制备简单等。因此，近年来此系列材料成为锂离子电池正极材料研究领域的一个热点。3.3LiNi1yCoyO2Position[°2Theta]2030405060708090Counts025001000022500H-LNG-44-01LiNi1yCoyO2的电化学性能与其组成密切相关，Co的加入能够提高电化学循环稳定性。稳定性的提高，一方面是因为Co增强了结构有序性，促进了接近整比产物的合成；另一方面是因为Co在一定程度上抑制了锂离子在嵌入脱出过程中的结构相变。但是Co的掺入量也不是越多越好，Co的加入往往降低首次比容量，而且增加了成本。因此，综合电极材料的容量、循环寿命和价格等诸多因素，一般认为，LiNi1yCoyO2(0.1y0.3)最具商品化前景。3.4LiNi1x-yCoyMnxO2LiNi1x-yCoyMnxO2与LiCoO2一样，具有-NaFeO2型层状结构（R-3m空间群），理论容量约为275mAh/g。在三元材料中，Mn始终保持+4价，没有电化学活性，Ni和Co为电化学活性，分别为+2价和+3价。由于Mn的价态在充放电过程中保持不变，起到结构支撑作用，因此结构比较稳定，在充放电过程中，不会发生像LiNiO2的结构变化，因而具有很好的循环稳定性和安全性能。3.0-4.6V的循环图总之，LiCoO2，LiNi1yCoyO2和LiNi1x-yCoyMnxO2结构相同，各有优缺点：1.LiCoO2工作电压高，充放电电压平稳，循环性能好；但实际容量较低另外，价格昂贵，有毒，污染环境。2.二元材料实际放电容量较高，可达175mAh/g以上，但平台较低，合成困难（需在氧气气氛中进行），压实密度不高。3.三元材料结构稳定，循环性能好，安全，实际放电容量较高，可达160mAh/g以上，但压实密度较低。0.00.20.40.60.81.02.62.83.03.23.43.63.84.04.24.4VoltageRatioLiCoO2LiNiCoO2LiNiCoMnO2压实密度压实密度与材料的理论密度和颗粒形貌、粒度分布等有关。理论密度=单胞内原子总质量/单胞体积三元材料可以看作为Ni、Co和Mn取代LiCoO2中的Co，与LiCoO2同为六方结构，都属R-3m空间群。Ni、Co和Mn的原子量、离子半径相近，因此理论密度相近。在实际应用中，LiCoO2的压实密度（RX767）可达4.2g/cm3，而三元材料最大只有3.7g/cm3。这主要与颗粒形貌和粒度分布有关。RX767RX767压实后三元三元压实后D50:11.385，最大压实密度：3.52D50:10.719，最大压实密度：4.32不同颗粒形貌对压实密度的影响LiCoO2,D50:11.546LiCoO2,D50:7.016压实后压实后不同粒度分布对压实密度的影响最大压实密度：4.40最大压实密度：3.741.提高体积比容量；2.提高循环性能；3.提高安全性能;4.降低成本三元和LiCoO2混合使用3.5LiMn2O4尖晶石型LiMn2O4为面心立方结构，属Fd-3m空间群，其中O为立方密堆积，占据32e位，Li+位于四面体的8a位，Mn4+和Mn3+按各一半的比例占据八面体的16d位，而八面体16c全部空位，四面体和八面体共面连在一起为锂离子的扩散提供了一个互相连通的三维隧道结构，锂离子沿着8a-16c-8a的路径自由的脱出或嵌入。0204060801001201402.83.03.23.43.63.84.04.24.44.6Voltage(V)Capacity(mAh/g)cbaLixMn2O4主要有2个脱嵌锂电位：4V和3V。0x1时，锂离子的脱嵌发生在4V左右，对应于锂从四面体8a位置的脱嵌。在此范围内，锂离子的脱嵌能够保持尖晶石结构的立方对称性，电极循环良好。LixMn2O4在过放电（1x2）的情况下，在3V左右出现电压平台，锂离子嵌入到空的16c八面体位置，产生结构扭曲，原来的立方体LiMn2O4转变为四面体Li2Mn2O4，锰从3.5价还原为3.0价。该转变伴随着严重的Janh-Teller畸变，c/a变化达到16％，晶胞体积增加6.5％，导致表面的尖晶石粒子发生破裂。因此，LiMn2O4只能作为理想4V锂离子电池正极材料，其理论容量为148mAh/g，实际容量为120mAh/g。锂锰氧化物具有电化学性能好、成本低、资源丰富以及无毒性等优点，是目前研究较多的锂离子电池正极材料之一。尖晶石型LiMn2O4作为锂离子电池正极材料，目前存在以下几个缺陷：（1）锰的溶解，放电末期的Mn3+浓度最高，在粒子表面容易发生歧化反应：2Mn3+固Mn4+固+Mn2+液歧化反应中的Mn3＋溶于电解液中；（2）Janh-Teller畸变，对于Li/LiMn2O4电池来说，如果放电电压不低于3V，应该不会出现Janh-Teller畸变。但在实际放电体系中，在接近4V放电平台末期，表面粒子有可能过放电而发生Janh-Teller畸变，这种效应继而扩散到整个组分LixMn2O4，导致电化学性能下降目前对尖晶石型LiMn2O4的改性方法主要是减小颗粒粒径；掺杂阴阳离子和表面修饰等。3.6LiFePO4LiFe