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(8)清洁无污染:锂离子电池不含任何何汞(Hg)、镉(Cd)、铅(Pb)等有毒元素,是真正的绿色环保电池。
当然,锂离子电池也有一些不足之处:
(1)制作成本较高:主要是LiCoO2作为正极材料的成本较高,随着新型锰酸锂、磷酸铁锂以及三元材料技术的不断发展,锂离子电池的成本将大大降低,从而提高其与其他类型蓄电池相比的价格优势。
(2)过充问题:锂离子电池已充足电还要继续充电(过充电),则会损坏电池,严重降低电池容量,因此锂离子电池必须配备特殊的保护电路,对其进行过充保护。
1.1.4 锂离子电池对正极材料的要求
锂离子电池充放电的本质为Li+在正负极之间往返嵌入和脱出,所以正极材料除必须能接纳锂离子的位置和扩散路径,同时还要能提供锂离子。据锂离子电池的工作原理,作为动力电池的正极材料应具有以下性能:
(1) 正极材料应有较高的电极电位；
(2) 电池反应应有较负的吉布斯函数G △,以提供高的电池电压；
(3) 电池充放电过程中G △变化要小；
(4) 正极材料应具有良好的电子导电性；
(5) 正极材料应尽可能轻,但又能贮存大量的锂；
(6) 正极材料应富锂,以起到锂源的作用；
(7) 正极材料结构应稳定,不溶于电解液、也不与电解液反应；
(8) 从商业和环保方面考虑,电极材料应便宜、对环境友好；
目前所研究的电池正极材料均不能满足以上所有要求。为了提高电池正极材料的电化学性能,既可以对现有材料进行改性(包覆、掺杂离子)处理,也可以开发新型正极材料[10]。
1.2 课题的主要内容
LiFePO4正极材料安全性能佳、使用寿命长、原料易得、对环境友好,目前被认为电动汽车和混合动力汽车等大功率应用场合的重要电池体系,极具发展潜力和应用前景。它的发现标志着“锂离子电池一个新时代的到来”[11]。本论文将具体研究LiFePO4材料的合成和掺杂改性,全面研究掺杂对产物的物理结构和电化学性能的影响,以实现锂离子电池正极材料的高性能,促进锂离子电池的发展。
1.2.1 锂离子二次电池的工作原理
图1.2 锂离子电池结构
商业化的锂离子电池一般由正极材料、负极材料、电解质、隔膜、集流体、绝缘材料、正负极引线、密封材料、中心端子、电池壳以及一些用于安全保护的附属部件等组成。以圆柱行形为例,锂离子电池结构如图1.2。电池在放电状态下装配而成,正极粉体为钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂或其他正极材料涂覆在铝箔上；负极主要采用石墨涂覆在铜箔上,正负极用一层多孔塑料膜隔开,隔膜通常采用聚乙烯(PE)和微孔聚丙烯(PP)或二者的复合膜(PE-PP-PE),一般浸在溶有LiPF6盐的碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)或碳酸二乙酯(DEC)的混合溶剂形成的电解液中,电解质在锂离子电池中起着正负极传递电荷的作用,是其运动的媒介,它对电池的电化学性能,比能量,循环效率极其安全性能至关重要[12]。