锂离子电池电极材料的研究

一、引言

从

1991 年日本 SONY 公司首次推出商品化锂离子电池产品算起，锂离子电池发展至

今已有接近

20 年的历史。锂离子电池，是指以嵌锂化合物作为正/负极材料的电池。嵌锂化

合物多为层状或框架结构，充放电过程中锂离子可在其层间可逆的嵌入与脱出而不改变其
结构。与其他种类电池相比，锂离子电池具有开路电压高、循环寿命长、能量密度高、自放电
低、无记忆效应、对环境友好等优点。锂离子电池已广泛应用于手机、

MP4、相机、笔记本电脑

等便携式数码产品。

随着社会发展，

锂离子电池的应用得到了进一步扩展。例如利用锂离子电池是目前储

能密度最高的蓄电池这一条件，可以将锂离子电池与太阳能或风能结合起来，用锂离子电
池将过剩的太阳能或风能转化成的电能储存起来，在供电不足的情况下以电能的形式释放
出来满足人们的需求。

2008 年 2 月，日本夏普公司已决定投资开发大型锂离子蓄电池，与

太阳能发电设备配合起来，以期待将这一设想变为现实。
二、工作原理

锂离子电池采用含锂的金属氧化物作为正极活性物质，一般采用氧化钴锂

(LiCoO

)、

氧化镍锂

(Li Ni O

)和氧化锰锂 (Li Mn

)等，采用特别的碳素材料作负极。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（嵌入）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。
三、电极材料
（

1）电极材料性能要求

简单的讲，锂离子电池的组成主要包括正极、负极、电解质与隔膜

4 个部分。正极材料通

常是一种嵌入化合物，在外界电场作用下化合物中的锂可在晶体中可逆脱出和嵌入；负极
材料一般是层状结构的碳材料；常见电解质为溶解有可溶锂盐

(如 LiPF

)的有机碳酸酯溶液。

电池的充放电过程就是

在正负电极材料之间可逆地嵌入与脱嵌的过程。在充电时正

极材料中的

脱离正极，进入电解液，通过隔膜向负极方向迁移，在负极上捕获电子被还

原，并存贮在具有层状结构的石墨中；放电时，负极中的锂会失去电子而成为

，进入电

解液，穿过隔膜向正极方向迁移，并存贮在正极材料中。由于充放电过程中锂离子是在正负
极之间来回迁移，所以锂离子电池早期也被称为

“摇椅电池”。

理想的正极材料应具有以下品质：电位高、比容量高、密度大

(包括振实密度，压实密

度

)、安全性好、低温性能好、倍率性能佳和长寿命等。理想的负极材料应具有电位低、比容量

高、密度大

(包括振实密度、压实密度)、安全性好、低温性能好、倍率性能佳、长寿命和能量效

率高

(排除转化反应机理过渡金属氧化物，如 CoO、CuO 等) 等优良品质。

为了提高其电化学性能，我们需要对其进行各种修饰改性，处理方法不同得到的电极

材料电化学性能也有所不同，包括新型制备方法的研究，碳包覆，金属掺杂等多种手段都
被用于电极材料的改性研究。
（

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，其中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。下面介绍几种常见的正极材料。
1. LiFePO