锂离子电池电极材料研究进展

收稿:1997年3月,收修改稿:1997年5月锂离子电池电极材料研究进展周恒辉　慈云祥(北京大学化学与分子工程学院　北京100871)刘昌炎(中国科学院化学研究所　北京100080)摘　要　本文综述了锂离子电池中正、负电极材料的制备、结构与电化学性能之间的关系。

正极材料包括嵌锂的层状Li x M O 2和尖晶石型Li x M 2O 4结构的过渡金属氧化物(M=Co 、Ni 、M n、V ),负极材料包括石墨、含氢碳、硬碳和金属氧化物。

侧重于阐述控制锂离子电池循环过程中可逆嵌锂容量和稳定性的嵌锂电极材料的结构性质。

给出118篇参考文献。

关键词　锂离子电池　嵌锂材料　正极　负极Progress in Studies of the ElectrodeMaterials for Li -Ion BatteriesZhou Henghui Ci Yunxiang(College o f Chemistry &Mo lecula r Engineering ,Peking Univ ersity,Beijing 100871,China )Liu Changyan(Institute of Chemistry ,The Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100080,China )Abstract This paper review s the rela tionship betw een synthesis,structures and properties of intercala tio n electrodes with lay ered Li x M O 2a nd spinel Li x M 2O 4structures (M =Co 、Ni 、M n 、V )as cathodes ,and g raphite ,disordered ca rbo n a nd m etal o xide as an-odes in Li-ion batteries.Em phasis is focused on the structural pro perties o f intercalatio n electrode m aterials w hich a re related to the recharg eable capacity and stability during cy-cling of Li io ns .118references are giv en .Key words Li -ion batteries ;intercalatio n materials o f Li ions ;catho des ;ano des 自1859年Gaston Plante 提出铅-酸电池概念以来,化学电源界一直在探索新的高比能量、循环寿命长的二次电池。

可编辑修改精选全文完整版锂离子电池的研究进展及应用前景近年来，新能源电池市场的发展迅猛，尤其是锂离子电池，在家用电器、电动车、太阳能等领域得到了广泛的应用。

对于锂离子电池的研究，不仅能够提高电池的性能，同时也能够为其更进一步的应用提供技术支持。

本文介绍了锂离子电池的研究进展以及其应用前景。

一、研究进展1. 电极材料改进电池的性能主要取决于电极材料的性质，因此在锂离子电池的研究中，电极材料的改进是必不可少的。

传统的电极材料为石墨，但石墨有低比容量、低导电性、易热化等问题。

近年来，锂离子电池的革新主要是基于正极和负极材料之间的平衡。

目前用于正极的材料有LiFePO4、LiCoO2、LiMn2O4等，用于负极的材料主要有石墨、金属锂、硅材料等。

这些材料科技的不断创新进步，使得锂离子电池的性能得到不断提升。

2. 电解质电解质是电池中极为重要的部分，因为它赋予电池主要的性能（如循环性能、电池容量、能量密度等）。

在传统的锂离子电池中，一般使用液态电解质，但液态电解质有泄漏的风险，而且易于氧化和燃烧。

为了提高电池的安全性和循环性能，目前锂离子电池中主要使用固态电解质。

固态电解质中，最为主流的是氧化铝、氧化锆等陶瓷材料。

固态电解质具有优异的化学稳定性，与高无效性的锂电求得更高电化学性能和更安全性的使用。

3. 电池系统除了电极材料和电解质的改进之外，电池系统的研究也是锂离子电池中一个必不可少的研究领域。

在电池工作过程中，电极和电解质之间的变化会影响电池的循环性能。

而电池系统从整体的角度出发，可以有效的解决这一问题。

电池系统研发的一个核心是电池管理系统（BMS），BMS在锂离子电池中起着重要的作用，它将对电池的使用和维护起到至关重要的作用。

同时，电池系统的研究还包括了钝化处理、电极的表面改性等专业技术的研发。

这些研究都可以有效的提高锂离子电池的研发与应用。

二、应用前景随着汽车、家用电器、通讯等领域的快速发展，锂离子电池在各个领域得到了广泛的应用。

锂离子电池负极材料的研究进展摘要：当前全球范围内的石油和其他传统能源越来越稀缺，迫切需要有效开发和利用可再生能源，例如太阳能、风能和潮汐能。

但是，这些新能源供应不稳定且持续不断，因此需要先转换成电能再输出，这促进了可充电电池的研究。

传统的铅酸电池，镍镉电池和镍氢电池存在使用寿命短、能量密度低和环境污染等问题，极大地限制了它们的大规模应用。

当前，电池行业的首要任务是找到可替代传统铅酸电池和镍镉电池的可充电电池，迫切需要开发无毒、无污染的电极材料和电池隔膜以及无污染的电池。

与传统的二次化学电池相比，锂离子电池由于其吸引人的特性已经在电子产品中占主导地位，显示出广阔的发展前景。

关键词：锂离子电池；负极材料；研究进展引言国际能源结构正从传统化石能源的主导地位逐渐转变为低碳、清洁和安全的能源，以二次电池为代表的电化学储能技术已成为最有前途的储能技术之一。

锂离子电池因其比能量高、工作电压高、循环寿命长和体积小等特点得到了广泛关注。

锂离子电池主体由正极、隔膜、负极、封装壳体四部分组成，就提高电池的比能量而言，提高负极的性能相对于改进正极、隔膜、封装壳体更为容易。

负极又包括了电流集流体(通常是铜箔)、导电剂(通常是乙炔黑)、粘结剂(通常是聚偏氟乙烯)和具有与锂离子可逆反应的活性材料。

电极的性能几乎取决于活性材料的性能。

１嵌入型负极材料嵌入型负极材料嵌入机制可以描述为，材料结构中可以容纳一定的外来的锂离子，相变形成新的含锂的化合物，并且能在随后的充放电过程中脱出外来的锂离子，恢复到先前的原始结构。

嵌入型负极材料，包括已经商业化锂离子电池负极材料石墨、非石墨化的碳材料（如石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维）、ＴｉＯ２以及钛酸锂等。

其中碳质材料的优点包括良好的工作电压平台，安全性好以及成本低等。

但是也存在一些问题，如高电压滞后、高不可逆容量的缺点。

钛酸盐负极材料具有优异的安全性、成本低、长循环寿命的优点，但能量密度低。

石墨作为层状碳材料，是首先被商业化和人们所熟知的ＬＩＢ负极材料，也是最成功的嵌入型负极材料，锂离子嵌入后可生成层状ＬｉＣ６，其放电平台在０．２Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）以下，有优异的嵌／脱锂动力学性能，是比较完美的ＬＩＢ负极材料。

锂离子电池正极材料的研究进展锂离子电池正极材料的研究进展随着清洁能源的发展，锂离子电池作为一种高能量、高功率密度的电池，已被广泛应用于移动物体、电动汽车、储能系统等方面，锂离子电池中的正极材料是实现高性能锂离子电池的关键。

本文将从锂离子电池正极材料的发展历程、材料的结构与性能、新型材料的研究和应用等方面展开详细的介绍和分析。

一、锂离子电池正极材料的发展历程20世纪80年代中后期，最早的锂离子电池是由四种材料构成的：平板石墨负极、聚乙烯隔膜、液态电解质和金属氧化物正极。

但是，由于金属氧化物正极的电化学性能不佳，限制了锂离子电池的应用，于是人们开始研究新型的锂离子电池正极材料。

1990年，日产汽车公布了采用碳酸锂电解液和三元材料（LiCoO2）的锂离子电池作为电动汽车动力源的计划。

1997年，索尼公司发布了使用锰酸锂（LiMn2O4）作为正极材料的锂离子电池，在实验室内能够实现高达1000次充放电循环，在国际市场上得到了广泛的推广。

之后，锂离子电池正极材料的研究进入了全新的阶段，市场上出现了一大批新型材料，如LiFePO4、LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2等，已成为锂离子电池领域中的热门研究方向。

二、锂离子电池正极材料的结构与性能锂离子电池正极材料的结构一般是层状结构、尖晶石结构、钠层化合物结构、硅基嵌入化合物结构、钙钛矿结构和氧化物渗透缺陷结构，其物理化学性质也有所不同。

LiCoO2是最早应用于锂离子电池的材料之一，其具有较高的理论容量和电化学效率，但是由于其参数退化、安全性差以及高的成本等问题，不断推进了对新型的锂离子电池正极材料的研究。

LiFePO4是一种锂离子电池正极材料，它具有高的理论容量、低的电化学电位和充电的极高可逆性，但是其电导率较低，电量功率较低，在高功率环境下却发生了否决性的出现。

LiMn2O4是一种高性能的锂离子电池正极材料，其较高的电化学反应速度能够有效提高锂离子电池的安全性，但是容易发生相关的氧化还原反应，导致容量的降低。

锂离子电池技术的研究进展锂离子电池是一种经典的可充电电池，其具有体积小、重量轻、能量密度高等优势，在移动通信、电动车、储能、航空航天等领域得到广泛应用。

随着科技的发展和需求的不断增加，锂离子电池技术在结构设计、电极材料、电解液等方面都得到了很大的改进和创新。

本文将介绍锂离子电池技术的研究进展，从多个角度探究其发展趋势和前景。

一、锂离子电池的结构设计电池的结构设计是决定其性能和循环寿命的关键。

一般来说，锂离子电池的结构主要包括正极、负极、电解质等组件。

近年来，随着材料科学的不断进步，锂离子电池结构设计也得到了极大的发展。

在正极材料方面，过渡金属氧化物正极材料（例如LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等）是锂离子电池的主流正极材料，其中LiFePO4正极材料具有很好的安全性和较高的电化学性能，正在成为锂离子电池领域的一个新兴研究方向。

在负极材料方面，将碳材料的石墨化应用于锂离子电池负极材料是减轻电池重量和提高电池能量密度的有效途径。

最近，为了提高电池的性能，石墨化碳材料的晶体结构进行了改进，例如采用硬碳、微米纤维等材料来改善石墨化碳的性能。

电解质是电池中的重要组成部分，一般使用电解液来实现离子的传导。

新型电解液材料的出现，能够提高电池的韧性、抗干扰性、安全性和电化学性能。

现在，固态电解质被认为是提高电池的稳定性和循环寿命的最有前途的电解质方向之一。

二、锂离子电池的电极材料电极材料是锂离子电池中起到媒介传导作用的关键组成部分。

近年来，针对锂离子电池中的电极材料进行了很多研究。

正极材料方面，磷酸铁锂是新兴的正极材料，具有较高的比容量（170mAh/g）、较高的放电平台电压3.45V（vs Li/Li+）以及优良的循环寿命。

二氧化钛正极材料则是另一种热门材料，其通过改变二氧化钛的结构和化学组成来增加其电容量，进一步提高了电量的密度。

负极材料方面，石墨负极材料是目前应用最广泛的负极材料。

近年来，人们通过增加石墨负极材料的粗度和孔隙度来提高电池的效率和循环寿命。

锂离子电池正极材料研究进展锂离子电池是目前广泛应用于移动电子设备和电动车辆等领域的重要能量存储设备，其正极材料的性能对电池的性能和循环寿命有着至关重要的影响。

近年来，针对锂离子电池正极材料的研究逐渐受到了广泛关注。

在这篇文章中，将介绍一些最新的研究进展。

首先，锂离子电池正极材料的研究主要集中在提高材料的能量密度和循环寿命。

目前市面上常见的锂离子电池正极材料是钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）和锂铁磷酸锂（LiFePO4）。

然而，这些材料在使用过程中存在着一些问题，比如钴酸锂存在着资源稀缺和价格昂贵的问题，锰酸锂的电化学性能相对较差，锂铁磷酸锂的能量密度较低等。

因此，研究人员开始寻找替代材料。

一种备受关注的材料是含有镍的过渡金属氧化物，比如锂镍钴锰氧化物（Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2）。

这种材料具有较高的能量密度和较长的循环寿命。

另外，研究人员还探索了硅和硫等材料作为锂离子电池正极材料的替代品。

其次，锂离子电池正极材料的微观结构调控也成为一个研究热点。

通过控制正极材料的粒径、纳米结构和晶体结构等参数，可以调节材料的电化学性能。

比如，一些研究表明，通过控制锂离子电池正极材料的晶体结构，可以实现更高的能量密度和更好的循环稳定性。

此外，锂离子电池正极材料的表面改性也引起了广泛关注。

通过在正极材料的表面形成一层保护膜，可以提高材料的循环稳定性和抗固相界面反应能力。

一些研究表明，通过硅、氟等元素的表面覆盖，可以显著改善正极材料的循环性能和容量保持率。

总体来说，锂离子电池正极材料的研究进展主要包括寻找新的材料、微观结构调控和表面改性。

通过这些研究，可以不断提高锂离子电池的能量密度和循环寿命，进一步推动锂离子电池在移动电子设备和电动车辆等领域的广泛应用。

随着移动电子设备和电动车辆市场的不断扩大，对锂离子电池正极材料的需求也越来越迫切。

因此，研究人员在锂离子电池正极材料的改进和创新上投入了大量的精力。

锂离子电池的研究进展综述锂离子电池的研究进展刘文 2015200807近十年以来，通过对新电极材料和新存储机理的开发研究，基于锂的可重复充电电池技术得到了飞跃发展，电池性能不断提高。

得益于纳米技术的不断探索发现，传统电池材料存在的许多重难点基础问题极有希望得到解决。

一、纳米技术致力于解决传统电池领域的哪些重大问题？1. 体积变化导致活性颗粒和电极的开裂与破碎传统嵌入式电极材料在充放电过程中的体积变化较小。

而对于新型的高容量电极材料而言，由于充放电过程中，大量Li物种嵌入和脱嵌，发生巨大的体积变化。

经过多次循环之后，活性颗粒和电极材料会开裂和破碎，影响电学传导，并造成容量降低，最终导致电池失效，大大缩短了电池的使用寿命。

据报道，合金型负极材料的体积膨胀率中，Si为420%，Ge和Sn为260%，P为300%。

而传统的石墨负极只有10%。

图1. 活性颗粒和电极材料在充放电过程中开裂和破碎的过程硅极负极的解决方案纳米材料一个天然优势就在于，其尺寸较小，可以在颗粒和电极层面上有效抵抗力学上的破坏。

高容量电极材料有一个基本参数，叫做临界破碎尺寸。

这个参数值取决于材料的反应类型（譬如合金反应，转化反应）、力学性能、结晶度、密度、形貌以及体积膨胀率等一系列参数。

而且，电化学反应速率对于颗粒的开裂和破碎影响重大，充放电速率越快，产生的应力就越大。

当颗粒尺寸小于这个临界尺寸时，锂化反应引起的应力就能得到有效控制，从而缓解颗粒的的开裂和破碎行为。

研究表明，Si纳米柱的临界尺寸是240-360 nm，Si纳米线的临界尺寸是300-400 nm，这一区间范围主要是受到电化学发宁速率的影响。

晶化Si纳米颗粒的临界尺寸大约是150 nm。

图2. Si纳米线负极材料可以适应应力的影响因此，颗粒的破碎问题可以通过使用低于临界尺寸的各种纳米结构材料来实现，譬如纳米柱、纳米线、纳米颗粒、纳米管、纳米棒、以及纳米复合材料等。

至于电极的破碎问题主要是采用一系列胶粘方法将Si纳米颗粒粘结在集流器上实现。