电池正极材料知识培训

锂离子电池正极材料知识锂离子电池正极材料知识1.锂离子电池的结构2.正极材料的选择3.各种正极材料 3.1 LiCoO2 3.2 LiNiO2 3.3 三元 3.4 LiFePO41.锂离子电池的结构锂离子电池的结构 发展高能锂离子电池的关键技术之一就是正极材料的开发。近几年来，负极材料和电解质的研究都取得了较大的进展，相对而言，正极材料的发展较为缓慢，商品化锂离子电池中正极材料的比容量远远小于负极材料，成为制约锂离子电池整体性能进一步提高的重要因素。因此，正极材料的研究受到越来越多的重视。2.锂离子电池正极材料的选择锂离子电池正极材料的选择 作为理想的锂离子电池正极材料，锂离子嵌入化合物必须满足以下要求：（1）具有较高的氧化还原电位，保证锂离子电池的高电压特性；LiCoO2（Li+/Li）Graphite（Li+/Li）（2）允许大量的锂离子嵌入脱出，保证锂离子电池的高容量特性；理论容量的计算：C0=26.8n m/M Co-理论容量；n-成流反应的得失电子数；m-活性物质完全反应的质量；M-活性物质的摩尔质量以LiCoO2为例：Co=96500/M=96500*1000/3600*98=273 mAh/g LiNiO2为274 mAh/g；LiMn2O4为148 mAh/g，LiFePO4为170 mAh/g。（3）嵌入脱出过程的可逆性好，充放电过程中材料结构变化较小；（4）锂离子能够快速的嵌入和脱出，具有高的电子导电率和离子导电率；（5）在电解液中化学稳定性好；（6）低廉，容易制备，对环境友好等。目前研究较多的锂离子电池正极材料有LiCoO2、镍钴二元，镍钴锰、锰类化合物、LiFePO4等。LiCoO2最早是由Goodenough等人在1980年提出可以用于锂离子电池的正极材料，之后得到了广泛的研究。LiCoO2具有合成方法简单，工作电压高，充放电电压平稳，循环性能好等优点，是最早用于商品化的锂离子电池的正极材料，也是目前应用最广泛的正极材料。3.1 LiCoO2 3.锂离子电池正极材料锂离子电池正极材料 LiCoO2具有-NaFeO2结构，属六方晶系，R-3m空间群，其中6c位上的O为立方密堆积，3a位的Li和3b位的Co分别交替占据其八面体孔隙，在111 晶面方向上呈层状排列，理论容量为274 mAh/g。123Co3+(3b)O2(6c)Li+(3a)43.1.1 LiCoO2的结构的结构 从电子结构来看，由于Li+（1s2）能级与O 2（2p6）能级相差较大，而Co3+（3d6）更接近于O2（2p6）能级，所以Li-O间电子云重叠程度小于Co-O间电子云重叠程度，Li-O键远弱于Co-O键，在一定的条件下，Li+离子能够在CoO层间嵌入脱出，使LiCoO2成为理想的锂离子电池嵌基材料。由于锂离子在键合强的CoO层间进行二维运动，锂离子导电率高；另外，共棱的CoO6的八面体分布使Co与Co之间以Co-O-Co的形式发生作用，电子导电率也较高。（003）衍射峰反映的是六方结构，而（104）衍射峰反映的是六方结构和立方结构的总和。根据文献报道，I(003)/I(104)和 c/a比值越大，(006)/(102)和(108)/(110)分裂越明显，说明材料的六方晶胞有序化程度越高，越接近于理想的六方结构，晶体结构越完整。一般的，c/a比值应大于，I(003)/I(104)比值应大于。LiCoO2的理论容量为274 mAh/g，但在实际应用时，锂离子从LixCoO2中可逆嵌脱最多为个单元，实际容量只有140 mAh/g左右。LixCoO2在x=0.5 附近会发生六方到单斜的结构相变，同时晶胞参数发生微小变化。当x 时，LixCoO2中的钴离子将从其所在的平面迁移到锂所在的平面，导致结构不稳定而使钴离子通过锂离子所在的平面迁移到电解液中，并且此时钴（CoO2）的氧化性很强，容易和电解液发生反应失氧，造成很大的不可逆容量损失。因此在实用锂离子电池中，0 x，充放电电压上限为4.2 V，在此范围内，LiCoO2具有平稳的电压平台（约3.9 V），充放电过程中不可逆容量损失小，循环性能非常好。3.1.2 LiCoO2的电化学行为的电化学行为LiCoO2充放电过程中的结构相变充放电过程中的结构相变零应力表面处理零应力表面处理充电过程中，随着脱锂，电导率会剧增6个数量级，达到1 S/cm;充电过程中，c轴变长，a轴变短，晶胞体积变大充放电过程中的导电率和晶胞体积变化充放电过程中的导电率和晶胞体积变化 总之，作为锂离子电池正极材料，LiCoO2具有下列特点：1.合成方法比较简单；2.工作电压高，充放电电压平稳，循环性能好；3.实际容量较低，只有理论容量的一半；4.钴资源有限，价格昂贵；5.钴毒性较大，环境污染大 与LiCoO2相似，理想的LiNiO2为-NaFeO2 型六方层状结构，属 R-3m空间群，Li 和Ni分别占据3a位和3b位，LiNiO2正极材料的理论容量为275 mAh/g，实际容量达到180-200 mAh/g。相对于LiCoO2而言，镍的储量比钴大，价格便宜，而且环境污染小。3.2 LiNiO2 与LiCoO2相比，LiNiO2的制备条件比较苛刻，其组成和结构随合成条件的改变而变化。因为Ni2+难于氧化，按照制备LiCoO2的工艺合成出的LiNiO2几乎不具备电化学活性，必须要在含有O2的气氛中进行反应，合成的产物往往是非整比的LixNi2-xO2。在这种非整比产物中，部分Ni2+占据Li+位置（3a），在锂位产生部分无序的阳离子分布，降低了材料的结构有序性，为了维持Ni2+进入Li-O层后体系的电中性平衡，Ni-O层中也必然有等量的Ni2+存在（3b），化学式可以表示为Li+yNi2+1-y3aNi2+1-yNi3+y3bO22，这就是“阳离子混排”现象。LixNi2-xO2的非整比性对其电化学性能有较大的影响。LixNi2-xO2中占据锂位（3a）的Ni2+离子在首次充电（脱锂）时，会被氧化成半径更小的Ni3+离子甚至Ni4+离子，使层间距不可逆的减小，造成该离子附近结构的塌陷，在随后的嵌锂过程中，Li+离子将难于回到已塌陷的位置，从而造成放电（嵌锂）时容量的不可逆损失，这种不可逆损失与占据锂位的Ni2+离子的量有直接关系。充放电曲线表现出明显的充放电平台，LixNiO2在充放电过程中经历了几个相变过程，每个平台对应一个相变过程。六方（R1）单斜（M）六方（R2）晶体破坏 充放电稳定性劣化严重 钴和镍是同一周期的相邻元素，二者具有相近的电子排布和原子半径，在LiNiO2中掺入Co部分取代Ni，可以形成化学式为LiNi1yCoyO2(0 y 1)的完全固溶体。LiNi1yCoyO2与LiNiO2和LiCoO2一样，具有-NaFeO2 型层状结构（R-3m空间群），理论容量为275 mAh/g，作为锂离子电池正极材料兼有LiNiO2和LiCoO2的优点，比容量高，循环性能好，价格便宜，污染小，制备简单等。因此，近年来此系列材料成为锂离子电池正极材料研究领域的一个热点。3.3 LiNi1 yCoyO2 Position 2Theta2030405060708090Counts025001000022500 H-LNG-44-01 LiNi1yCoyO2的电化学性能与其组成密切相关，Co的加入能够提高电化学循环稳定性。稳定性的提高，一方面是因为Co增强了结构有序性，促进了接近整比产物的合成；另一方面是因为Co在一定程度上抑制了锂离子在嵌入脱出过程中的结构相变。但是Co的掺入量也不是越多越好，Co的加入往往降低首次比容量，而且增加了成本。因此，综合电极材料的容量、循环寿命和价格等诸多因素，一般认为，LiNi1yCoyO2(0.1 y 0.3)最具商品化前景。3.4 LiNi1 x-yCoyMnxO2 LiNi1x-yCoyMnxO2与LiCoO2一样，具有-NaFeO2 型层状结构（R-3m空间群），理论容量约为275 mAh/g。在三元材料中，Mn始终保持+4价，没有电化学活性，Ni和Co为电化学活性，分别为+2价和+3价。由于Mn的价态在充放电过程中保持不变，起到结构支撑作用，因此结构比较稳定，在充放电过程中，不会发生像LiNiO2的结构变化，因而具有很好的循环稳定性和安全性能。3.0-4.6 V的循环图 总之，LiCoO2，LiNi1yCoyO2和LiNi1x-yCoyMnxO2结构相同，各有优缺点：1.LiCoO2工作电压高，充放电电压平稳，循环性能好；但实际容量较低另外，价格昂贵，有毒，污染环境。2.二元材料实际放电容量较高，可达175 mAh/g以上，但平台较低，合成困难（需在氧气气氛中进行），压实密度不高。3.三元材料结构稳定，循环性能好，安全，实际放电容量较高，可达160 mAh/g以上，但压实密度较低。0.00.20.40.60.81.02.62.83.03.23.43.63.84.04.24.4 VoltageRatio LiCoO2 LiNiCoO2 LiNiCoMnO2压实密度压实密度 压实密度与材料的理论密度和颗粒形貌、粒度分布等有关。理论密度=单胞内原子总质量/单胞体积 三元材料可以看作为Ni、Co和Mn取代LiCoO2中的Co，与LiCoO2同为六方结构，都属R-3m空间群。Ni、Co和Mn的原子量、离子半径相近，因此理论密度相近。在实际应用中，LiCoO2的压实密度（RX767）可达4.2 g/cm3，而三元材料最大只有3.7 g/cm3。这主要与颗粒形貌和粒度分布有关。RX767 RX767压实后压实后 三元三元三元压实后三元压实后 D50，最大压实密度：D50，最大压实密度：不同颗粒形貌对压实密度的影响不同颗粒形貌对压实密度的影响LiCoO2,D50:11.546 LiCoO2,D压实后压实后 压实后压实后 不同粒度分布对压实密度的影响不同粒度分布对压实密度的影响最大压实密度：最大压实密度：提高体积比容量；提高循环性能；提高安全性能;降低成本三元和三元和LiCoO2混合使用混合使用3.5 LiMn2O4 尖晶石型LiMn2O4为面心立方结构，属Fd-3m空间群，其中O为立方密堆积，占据32e位，Li+位于四面体的8a位，Mn4+和Mn3+按各一半的比例占据八面体的16d位，而八面体16c全部空位，四面体和八面体共面连在一起为锂离子的扩散提供了一个互相连通的三维隧道结构，锂离子沿着8a-16c-8a的路径自由的脱出或嵌入。0204060801001201402.83.03.23.43.63.84.04.24.44.6Voltage(V)Capacity(mAh/g)c b a LixMn2O4主要有2个脱嵌锂电位：4 V和3 V。0 x 1时，锂离子的脱嵌发生在4 V左右，对应于锂从四面体8a位置的脱嵌。在此范围内，锂离子的脱嵌能够保持尖晶石结构的立方对称性，电极循环良好。LixMn2O4在过放电（1 x 2）的情况下，在3 V左右出现电压平台，锂离子嵌入到空的16c八面体位置，产生结构扭曲，原来的立方体LiMn2O4转变为四面体Li2Mn2O4，锰从价还原为价。该转变伴随着严重的Janh-Teller畸变，c/a变化达到16，晶胞体积增加，导致表面的尖晶石粒子发生破裂。因此，LiMn2O4只能作为理想4 V锂离子电池正极材料，其理论容量为148 mAh/g，实际容量为120 mAh/g。锂锰氧化物具有电化学性能好、成本低、资源丰富以及无毒性等优点，是目前研究较多的锂离子电池正极材料之一。尖晶石型LiMn2O4作为锂离子电池正极材料，目前存在以下几个缺陷：（1）锰的溶解，放电末期的Mn3+浓度最高，在粒子表面容易发生歧化反应：2 Mn3+固 Mn4+固+Mn2+液歧化反应中的Mn3溶于电解液中；（2）Janh-Teller畸变，对于Li/LiMn2O4电池来说，如果放电电压不低于3 V，应该不会出现Janh-Teller畸变。但在实际放电体系中，在接近4 V放电平台末期，表面粒子有可能过放电而发生Janh-Teller畸变，这种效应继而扩散到整个组分LixMn2O4，导致电化学性能下降 目前对尖晶石型LiMn2O4的改性方法主要是减小颗粒粒径；掺杂阴阳离子和表面修饰等。3.6 LiFePO4 LiFePO4在1997年由Goodenough首次报道可以作为锂离子电池正极材料。LiFePO4为橄榄石型结构，为正交晶系，属Pbmn空间群，Fe与Li形成FeO6和LiO6八面体，P形成PO4四面体。与c轴平行的Li+的为连续直线链，可以沿着c轴形成二维扩散运动，自由地脱出或嵌入。理论容量为170 mAh/g。具有价格低廉、电化学性能好、对环境友好无污染等优点。在充放电过程中，Li+的可逆嵌脱，对应于Fe3+/Fe2+的互相转换，电压平台在3.5 V（vs.Li+/Li），且平台较长。由于P-O键键强非常大，所以PO4四面体很稳定，在充放电过程中起到结构支撑作用，因此LiFePO4有很好的抗高温和抗过充电性能，同时由于LiFePO4和完全脱锂状态下的FePO4的结构很相近，所以LiFePO4的循环性能也很好。LiFePO4 FePO4+Li+LiFePO4的导电性非常差：（1）在LiFePO4结构中，相邻的FeO6八面体通过共顶点连接（与LiNiO2和LiCoO2，LiMn2O4中存在的共棱或共面的MO6八面体连续结构不同，共顶点的八面体电子导电率较低），故电子导电率低；（2）PO4四面体位于FeO6八面体之间，这在一定程度上阻碍了Li+的扩散运动，同时由于稳定的PO4四面体使得Li+移动的自由体积小，使脱嵌运动受到影响；（3）在充放电过程中，脱嵌锂到一定程度时，锂离子在LiFePO4/FePO4两相界面的扩散受扩散控制 改善的方法主要有：（1）合成粒径小且均匀的颗粒；（2）包覆导电剂对颗粒表面进行改性；（3）掺杂高价金属离子等 LiFePO4的导电性的导电性Discharge curve(18650)92.13%(450 cycles)Cycling performance(18650)总之，各种正极材料因其自身的特点具有各总之，各种正极材料因其自身的特点具有各自的应用领域。自的应用领域。Thank you！