锂离子电池材料的研究进展

　　摘要：现代社会对能源的需求，大大促进了储能技术的发展，自从

Sony 公司于 1990

年将锂离子电池产业化后，锂离子电池作为最成功的储能装置，已经占领了便携式电器的
市场。与此同时，随着笔记本电脑中央处理器的快速发展以及

3D 技术在手机中的广泛应用，

人们渴望去寻找能量更高、寿命更长的电池，这也使锂离子电池的相关研究成为现在材料科
学研究热点。
　　关键词：锂离子；电池；工作原理；正极；负极；电解质；隔膜
　　锂离子电池具有质量轻、无污染、无记忆效应、循环寿命长等特点，近年来锂离子电池中
正负极活性材料、电解质以及隔膜的研究和开发应用相当活跃，并取得很大进展。随着锂离
子电池的飞速发展，电池材料的市场将会具有更好的发展前景，并且将会是继镉镍、氢镍电
池之后发展最快的一种二次电池。
　　

1 工作原理

　　锂离子电池是指其中的

Li+嵌入和脱嵌正负极材料的一种可充放电的高能电池。其正极

一般采用插锂化合物，如

Li-CoO2、LiNiO2、LiMn2O4 等，负极采用锂-碳层间化合物

LixC6，电解质为溶解了锂盐的有机溶剂。锂离子电池中采用能使锂离子嵌入及脱嵌的碳材
料代替纯锂作负极。该电池的工作过程，仅仅是锂离子从一个电极进入另一个电极的过程。
具体来说，当电池充电时，锂离子是从正极中脱嵌，在碳负极中嵌入，放电时则反之。用锂
离子在碳中的嵌入和脱嵌反应取代纯锂电极上的沉积和溶解反应后，就可能避免电极上形
成锂枝晶的问题，从而提高锂离子电池的安全性和循环寿命。
　　

2 正极材料

　　正极材料按材料种类可分为无机材料、复合材料和聚合物材料三大类型。无机材料占其
中的主要部分，根据材料的结构特点分，其无机材料又可分为无机复合氧化物、阴离子型材
料等；复合氧化物中，又有层状型、尖晶石型、反尖晶石型等；阴离子型材料中，结构涉及
多种离子导体。
　　

2.1 氧化钴锂（LiCoO2）

　　目前市场上锂离子电池的正极材料主要是

LiCoO2，而其专利中包含了很多正极材料，

描述了具有

α-NaFeO2 结构的所有层状过渡金属氧化物。另外一些专利包含了生成碱金属化

合物

AxMO2。但钴资源非常匮乏，价格昂贵并且对环境稍有毒害。上述原因限制了它只能用

作小电流，如用在计算机、手机和照相机上，因此寻找廉价、对环境友好且性能优良的替代
材料是目前非常活跃的研究领域。
　　

2.2 氧化镍锂（LiNiO2）

　　

LiNiO2 与锂钴氧化物具有相同的结构。但目前仍然没有合成纯的具有稳定结构的锂镍

氧化物用作正极材料，因为在空气中，当温度低于

600

℃时，二价镍离子不能完全氧化为

三价镍离子；高于

600

℃时三价镍离子还原为二价镍离子则不可避免，因此在空气中很难

得到真正化学计量的

LiNiO2。

　　

2.3 氧化锰锂（LiMnO2）

　　

LiMnO2 资源丰富、成本低、对环境影响小，根据晶体场的理论，Mn3+是不稳定的价态，

在充放电过程中易从层状结构向尖石结构转变，导致其循环性能差，特别是高温下容易衰
减快的问题不易得到有效的解决，合成工艺难以控制，尤其是在高温条件下充放电过程中
不可逆相变的发生导致析氧放热的发生，造成其安全性差，因此制约了该材料的实用化。
　　

2.4 磷酸铁锂（LiFePO4）

　　目前，作为锂离子电池正极材料之一的

LiFePO4 具有来源广泛、价格便宜、热稳定性好、

无吸湿性、对环境友好等优点，受到人们的广泛关注。具有规则橄榄石型的

LiFePO4，其理