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材料科学——能源材料

更新时间:2019-10-09 点击数:

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  摘要 介绍了锂离子电池的电化学反应原理、一般特性及电池正极材料、负极材料、电解质材料的研究进展,同时也介绍了目前存在的问题和发展前景。

  自从1859年Gaston Plante提出铅酸电池概念以来,化学电源界一直在研制新的高比能量、长循环寿命的二次电池。1990年日本索尼公司率先研制成功锂离子电池〔1〕。它是把锂离子嵌入碳中形成负极,取代传统锂电池的金属锂或锂合金作负极。负极材料是石墨和焦炭等碳材料。目前的正极材料主要是LiCoO2,其次是LiNiO2和LiMn2O4。电解质为LiAsF6+PC(碳酸丙烯酯)、LiAsF6+PC+EC(碳酸乙烯酯)及LiPF6+EC+DMC(碳酸二甲酯)。隔膜为PP微孔薄膜、PE微孔薄膜或两者双层。锂离子电池既保持了锂电池高电压、高容量的主要优点,又具有循环寿命长、安全性能好的显著特点,在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等领域展示了良好的应用前景和潜在的经济效益,是近年来受到广泛关注的研究热点。

  这种电池的正负极均采用可供锂离子(Li+)自由嵌脱的活性物质,充电时,Li+从正极逸出,嵌入负极;放电时Li+则从负极脱出,嵌入正极。这种充放电过程,恰似一把摇椅。因此,这种电池又称为摇椅电池(Rocking Chair Batteries)。以LiCoO2为正极材料,石墨为负极材料的锂离子电池,充放电反应式为

  (1)体积及质量的能量密度高;(2)单电池的输出电压高,为4.2 V;(3)自放电率小;(4)在60℃左右的高温下也可以使用;(5)不含有毒物质等。

  研究锂离子蓄电池的关键技术是采用能在充放电过程嵌入和脱嵌锂离子的正、负极材料及选用合适的电解质材料。

  作为正极材料的嵌锂化合物是锂离子的贮存库。为了获得较高的单体电池电压,应选择高电势的嵌锂化合物。一般而言,正极材料应满足〔3~7〕:(1)在所要求的充放电电位范围内,具有与电解质溶液的电化学相容性;(2)温和的电极过程动力学;(3)高度可逆性;(4)全锂化状态下在空气中稳定性好。目前研究的热点主要集中在层状LiMO2和尖晶石型LiM2O4结构的化合物上(M=Co、Ni、Mn、V等过渡金属离子)。

  能作正极活性物质的主要有LiCoO2、LiNiO2和LiMn2O4等。最早用于商品化的锂离子电池中的正极为LiCoO2,它属于α-FeO2型结构。其合成方法是将Li2CO3和CoCO3按摩尔比Li/Co=1∶1的比例混合,在空气中700℃灼烧而成〔8〕。其可逆性、放电容量、充放电效率、电压的稳定性等性能均很好。因此,目前正极材料主要采用LiCoO2,或在其中再添加Al、In等元素的复合钴酸锂。但是,由于钴材料成本较高,资源缺乏,因此,必须开发少用钴、不用钴或廉价易得的材料,如用镍或锰来取代钴,这样电池单价可大大降低。

  LiNiO2是继LiCoO2后研究较多的层状化合物,一般是用锂盐和镍盐混合在700~850℃经固态反应制备。镍与钴的性质相近,价格比钴低廉。LiNiO2目前的最大容量为150 mAh/g,工作电压范围为2.5~4.1 V,不存在过充电和过放电的限制,Ohzuku〔9〕认为它是锂离子电池中最有前途的正极材料之一。但由于LiNiO2的制备中存在许多问题,所以LiNiO2的实际应用还受到限制。例如,制备三方晶系的LiNiO2时容易产生立方晶系的LiNiO2,特别是当热处理温度大于900℃时,LiNiO2将全部以立方晶系形式存在,而在非水电解质溶液中,立方晶系的LiNiO2无电化学活性。

  尖晶石型的LiM2O4(M=Mn、Co、V等)中M2O4骨架是一个有利于Li+离子扩散的四面体和八面体共面的三维网络。其典型代表是LiMn2O4。因为在加热过程中易失去氧而产生电化学性能差的缺氧化合物,使高容量的LiMn2O4制备较复杂,现在常用的合成方法有多步加热固态合成法、溶液-凝胶法、沉淀法等。如何克服容量在循环时下降的问题是目前LiMn2O4研究的焦点。因此,尖晶石型特别是掺杂型LiMn2O4的制备及结构与性能的关系仍是今后锂离子电池电极材料研究的方向。

  锂离子电池作为一种新型的高能电池在性能上的提高仍有很大的空间,而碳材料性能的提高是其中的主要关键。负极碳材料应具备大容量、良好的充放电特性、高度可逆的嵌入反应、热力学稳定以及对电解液稳定的性能。

  1973年就有人提出以碳作为嵌锂材料,但直到1990年索尼公司以石油焦炭作为负极,才使锂离子电池的研究进入实用化阶段,从而掀起了世界范围的研究热潮。用于锂离子电池的碳材料主要有以下几种,见下表。

  目前研究的碳负极材料主要有石墨、冶金焦炭、石油焦炭等。其中石墨具有层状结构,因此其层与层之间有可能嵌入原子或原子团,形成碳层间化合物。石墨用作锂离子蓄电池的负极,可用充电的方法在碳层之间嵌入锂离子,用放电的方法脱嵌锂离子。用嵌锂石墨作为负极时,研究的焦点主要有:不可逆容量损失的机理和抑制方法,石墨结构与电化学性能的关系等。

  石墨的结晶度、微观组织、堆积形式等都影响其嵌锂容量。有研究发现,部分无序排列的存在是石墨嵌锂容量小于理论容量的原因,通过调节热处理温度控制石墨的堆积形式是获得高容量的有效手段。日本本田研究与发展公司利用特殊处理方法解决了锂离子电池比容量低的问题。具体做法是将锂(分子)置于有序石墨板之间,材料经聚亚苯基(PPP)热处理后,再将高度取向的石墨经高压(5 000~6 000 MPa)热解。用该方法得到的石墨作负极,使负极达到了1 116 mAh/g的高比容量〔10〕。

  1991年日本NEC的Iijima用真空电弧蒸发石墨电极时,发现了具有纳米尺寸的碳多层管状物——纳米碳管。此后,引起了人们广泛的兴趣和深入的研究。纳米碳管具有尺寸小、机械强度高、比表面大、电导率高和界面效应强等特点,其顶端开口填充已用于高效催化载体、吸波材料等。近年来,已把碳管用于锂离子电池中作为负极材料,研究发现它具有高的可逆容量等优异的电极性能。目前,对碳电极材料的研究十分活跃,今后仍是锂离子电池研究的重点。

  主要采用锂盐和混合有机溶剂所组成的材料,如LiClO4/PC(碳酸丙烯酯)+DME(二甲基乙二醇)、PC+DME、PC+DME+EC(碳酸乙烯酯)、EC+DEC(碳酸二乙酯)、LiAsF6/EC+THF(四氢呋喃)等。有些专家认为,LiClO4是强氧化剂,使用很不安全。PC在蓄电池中因反应性强,易进入碳夹层,用于锂离子电池也不可取。LiPF6是适宜的用盐,1~2 mol/L LiPF6/EC+DMC是理想的电解液〔11〕。电解质的稳定性也是当前研究锂离子蓄电池的一个关键技术。

  另外,提高锂离子电池的容量、电极循环寿命、电池的安全性、减小自放电和实现快充仍是今后锂离子电池研究的关键技术。

  近年来锂离子电池作为一种新型的高能蓄电池,它的研究和开发已取得重大进展。但由于锂离子电池是一个涉及化学、物理、材料、能源、电子学等多学科的交叉领域,研制中还存在许多问题。运用传统的电化学研究方法结合现场、非现场的谱学方法等多种检测手段,对锂离子电池体系进行评价、优化设计,将会有力地推动锂离子电池的研究和应用。锂离子电池将是继镍镉、镍氢电池之后,在下世纪相当长一段时间内市场前景最好,发展最快的一种二次电池。

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