LiFeBO3/C正极材料的合成及电化学性能(3)

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如图1.2锂离子电池的工作原理可见，当电池放电时，电池外载的物理化学过程为电子由负极流向正极，电池内部的物理化学过程为锂离子从负极材料间中脱出经过电解液和流向正极的电子结合形成锂原子嵌入到正极材料中。

锂离子电池的工作原理

1.4 锂离子电池的优势

与传统的电池相比，锂离子电池主要有以下几个优点[4-6]：(1)具有更高的能量重量比、能量体积比。(2)电压较高，单节锂电池电压可媲美3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压。(3)自放电小可长时间存放，这是该电池最突出的优越性。(4)不存在所谓的记忆效应，所以锂电池充电前无需放电。(5)寿命很长，一般情况下，锂电池充放电循环次数远大于500次。(6)可以快速充电，锂电池一般可以采用0.1倍容量的电流充电，充电时间可缩短为1～2小时。(7)可以随意并联使用。(8)电池中不含重金属元素，无污染，是当代最先进的绿色电池。

虽然锂离子电池存在以上优点，但是仍存在一些缺陷需要改进：(1)锂电池均存在安全性差，有发生爆炸的危险。(2)钴酸锂材料的锂电池不能大电流放电，安全性较差。(3)锂电池均需保护线路，防止电池被过充过放电。(4)生产要求条件高，成本高。

1.5 锂离子电池正极材料

锂离子电池的性能的好坏程度主要由电池内部材料的结构和性能决定[7]。其中正、负极材料更是直接决定锂离子电池的性能与价格。碳材料通常被用作负极材料，目前的发展成度较为成熟。所以正极材料的选择和开发便成为衡量锂离子电池性能好坏的决定性因素。

目前锂离子电池正极材料主要有：层状LiMO2和尖晶石LiM2O4（M=Co; Ni; Mn; V 等过渡金属离子）以及LiNixCo1-xO2等锂的过度金属氧化物。

1.5.1 层状正极材料

(1) LiCoO2

在现阶段商品化的锂离子电池中，锂钴氧化物[8]是应用最成功、使用最广泛的正极材料，它具有二维层状结构，在可逆性、放电容量、充放电效率和电压稳定方面均较为优秀[9]，目前仍有大量的商用锂离子电池采用LiCoO2作为其正极材料。但是由于钴的利用率低，安全性能差还有难以混合均匀，形貌不规则，产物颗粒较大等缺点[10-11]。还是需要进一步开发新的材料。另外钴资源匮乏和价格昂贵也影响了它的应用。

(2) LiNiO2

LiNiO2与LiCoO2相同，均具有六方型层状结构，但它的价格比LiCoO2低。LiNiO2的理论容量与LiCoO2接近，没有对过充电和过放电的限制，储量多的同时自放电率低，对环境没有污染[12-13]。但LiNiO2的制备条件要求苛刻，不但要在富氧气氛下合成，对工艺条件也有相当高的要求，并且容易生成非计量化合物，所以并未普及。此外，LiCoO2的热稳定性也较差，易于引发危险。针对此问题可通过掺入少量金属元素增高其放电平台并改善电化学循环稳定性。

(3) 三元材料

三元材料是镍钴锰酸锂Li(Ni、Co、Mn)O2，三元复合正极材料的前驱体产品。它以镍盐、钴盐、锰盐为原料，镍钴锰的比例可以根据实际需要进行一定的调整，三元材料做正极相对于钴酸锂电池安全性能更高，但是它的平台太低，所以用在手机上会有明显的容量发挥不足的感觉，所以不满足高容量手机电池的要求。

1.5.2 聚阴离子正极材料

(1) LiFePO4

热门锂离子电池正极材料之一LiFePO4具有橄榄石晶体结构。其理论容量为170 mAhg-1，在没有掺杂改性时其实际容量就已高达110 mAhg-1。通过对LiFePO4进行表面修饰，其实际容量更可高达165 mAhg-1，非常接近理论容量[14]。与其它正极材料相比，LiFePO4更稳定、安全、环保并且价格低廉。所以，LiFePO4做锂离子电池正极有非常好的应用前景。但是它的理论容量不高，室温电导率低，要想在整个锂离子电池领域披荆斩棘，显示出强大的市场竞争力，LiFePO4也面临着极大的挑战。