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锂电池正极材料的现状和未来发展趋势
前言
锂离子电池可以说是目前世界上应用最成熟最广泛的新能源,如手机电脑等便携式电子产品,电动汽车,电动工具,储能项目。特别是当前中国政府和资本疯狂投资支持新能源汽车和动力电池产业的发展。放眼未来,锂电产业还有很长的一段路要走,比如高能量密度体系的开发,成本的进一步降低,资源的回收和利用等问题摆在我们面前。
今天给大家介绍下关于锂离子电池材料的现状和未来发展趋势。
我们知道锂电里所有的材料无非来自于自然界,那首先看一下元素周期表哪些元素能为我们所用呢?


a为相关各种元素的价格和在地球上的储量;b为相关元素的质量比容量和体积比容量
上面只是让大家对正负极材料相关的元素有一个印象,并不能代表化合物本身的性质和可用性,下面大家再看一个更直观和经典的图表。

(LFSF-氟化铁酸锂铁,LTS-硫化锂钛);;;

一般情况下增强电池材料性能的策略如上图3所示::带来更快的离子电子传导率/更高的表面活性/改善机械稳定性;:引入导电介质/机械支撑机构;;;;。
正极材料
这里主要包括LCO,尖晶石LMO,橄榄石LFP等晶体结构。大多数正极材料研究集中在过渡金属氧化物和聚阴离子化合物上,因为它们具有较高的电压和较高的容量(100-200mAh/g和3-5V平均电压)。图4中(e)给出了这些典型的正极材料充放电曲线。

以下列举了具有代表性想正极材料特性以及目前的发展水平:

过渡金属氧化物

LCO正极材料是由Goodenough首次提出,并且由Sony首先将其并成功商业化。优点是高比容量,高电压,低自放电已经良好的循环性能,至今仍广泛应用。主要的缺点是成本高,热稳定性差和高倍率和深循环的容量的快速衰上。
成本高是由于Co元素的价格高,可以在图一中看到Co的价格。
热稳定性差是指高温150℃状态下正极LCO结构被破坏释放出大量的热造成电池热失控起火爆炸。LCO是目前商业化正极材料中热稳定性最差的。
虽然热稳定性也在很大程度上取决于非材料因素,例如电池设计和电池尺寸,但由于释放的氧和有机材料之间的放热反应,LCO通常经历超过200℃的热失控。深循环(,意味着大约50%以上的Li脱出)导致晶格畸变从而恶化循环性能。
对LCO的改性方面:对许多不同金属(Mn,Al,Fe,Cr)作为钴掺杂剂/部分代用品进行过研究,虽然证明有一些效果,但对性能的提升有限。各种金属氧化物的涂层(Al2O3,B2O3,TiO2,ZrO2),因为他们的机械和化学稳定性可以减少LCO的结构变化和与电解质的副反应,增强的LCO稳定性,甚至对深循环性能特性有一定改善。

LNO具有和LiCoO相同的晶体结构和275mAh/g的类似理论比容量,与LCO相比主要在成本上低很多,但是LNO的问题在于Ni2 有替代Li 的倾向,在脱嵌Li的过程中会堵住Li的扩散通道。安全性和稳定性方