王加锋
41142519801106**** 浙江 嘉兴 314000
摘要:锂离子电池的发展涉及到阳极材料、阴极材料和电解质材料的发展。为了更好地研究和提高锂离子电池的性能，本文对锂离子电池的关键材料及其发展进行了阐述。
关键词:锂离子电池;负极材料;正极材料;电解液
锂离子电池是指将两种不同的锂离子插层化合物分别作为正极和负极可逆地插入和移除的二次电池系统。蓄电池充电时，Li +从正极插入，通过电解液和膜片插入负极;相反，放电时，Li +从负极插入，通过电解液和隔膜插入正极。因此，它的性能涉及到许多物理问题，与阳极材料、阴极材料和电解质材料密切相关。本文主要介绍了关键材料及其研究进展。
1 负极材料
锂离子电池负极由碳材料或非碳材料、粘合剂和添加剂等组成，均匀地涂覆在铜箔的两面，烘干后卷制而成。引入高比容量负极材料是提高锂离子电池比能的主要途径之一。二次锂电池的发展经历了一个曲折的过程。在初始阶段，阳极材料为金属锂，是比容量最高的阳极材料。由于其不寻常的活性，锂能与许多无机和有机化合物发生反应。为了克服锂阳极活性高而导致安全性和循环性差的缺点，研究了各种锂合金作为新型阳极材料。金属锂在室温下能与多种金属m (m = mg、CA、Al、Si、Ge、Sn、Pb、as、Sb、Bi、Pt、Ag、Au、Zn、CD、Hg)形成金属间化合物[1]。
由于锂合金的形成反应通常是可逆的，因此可以与锂形成合金的金属理论上可以作为锂电池的负极材料。但在用锂成形合金的过程中，金属M的体积变化较大，由于反复插入和取出锂，材料的力学稳定性逐渐降低。电极材料逐渐被粉化，合金组织被破坏。因此，采用金属间化合物或化合物替代纯金属，提高锂合金阳极的循环性能[2]。如Sn基、Si基、Sb基、Al基合金材料。虽然在一定程度上提高了循环性能，但在除锂过程中很难克服体积效应。随着以碳为负极的锂离子电池的商业化，碳材料得到了广泛的研究。该材料具有比容量高(200MAH / G ~ 400mah / G)、电极电势低(< 1.0vvsli + / Li)、循环效率高(> 95%)、循环寿命长等优点。目前研究的碳材料很多，如石墨、中间相碳微球、高比容量碳化物等。然而，这种材料仍有一些不可逾越的弱点。例如，有机电解质中碳阳极的被动层(SEI层)可以传递电子和锂离子，但会造成初始容量的不可逆损失;碳电极电位与金属锂电位非常接近，电池过充时，金属锂容易沉淀在碳电极表面，可能形成锂枝晶，造成短路;其次，在高温下，碳电极表面容易沉淀锂，可能导致短路，另外，碳电极的性能受制备工艺的影响较大。目前，锂离子电池商用负极材料仅限于以石墨为代表的碳材料，其最大理论比容量仅为372mah / g，不能满足电池应用的要求。因此，开发高容量负极材料仍然是十分重要的。在碳负极材料逐渐成为主流后，仍有一些研究小组对氧化物负极进行研究。1997年，富士研究人员发现，无定形锡基复合氧化物(TCO)具有更好的循环寿命和更高的可逆容量。科学发表后，氧化物负极材料引起了广泛的关注。然而，这些材料的不可逆容量损失是不可避免的，对这些材料的兴趣降低了。
2 正极材料
2.1 LiCoO2正极材料
LiCoO2最早于1980年报道，是目前应用最广泛的正极材料。钴锂氧化物的结构一般有两种:层状结构和尖晶石结构。由于后者的不稳定性，一般称为前者。二维层状结构属于α- nafeo2型六角形结构，属于R3m空间群，适合锂离子插层解吸。该材料性能稳定，体积比能高，放电平台稳定，但成本较高。
为了降低成本，提高电池的性能，用其他金属替代钴。以LiCoO2为代表的层状结构正极材料还包括LiNiO2，其可表示为limo2 (M为Cr、Fe、Co、Ni)。这些材料的基本结构是在八面体位置由氧离子和过渡金属离子紧密排列形成稳定的mo2层(或框架)。插层的锂离子进入mo2层间，处于八面体位置。这些层状化合物作为锂离子电池正极材料，不仅可以参与电化学反应，还可以作为锂离子源。因此，锂离子脱嵌和插层过程中结构变化的程度和可逆性至关重要。LiCoO2的合成方法包括高温固相法、低温共沉淀法和凝胶法。与LiCoO2正极材料相比，LiNiO2价格低、比容量大、环境污染小，但合成条件苛刻，循环稳定性差。应用程序中的主要问题是,锂清除后产品的分解温度低,和大量的热量和氧气生成分解,使锂离子电池充电时容易发生爆炸和燃烧,所以它没有被广泛使用。近年来，一些研究者从合成方法、掺杂改性等方面对LiNiO2做了大量的研究，并取得了很大的进展。拉曼等。用脉冲激光沉积法合成了lini0.8co0.15al0.05o2薄膜。结果表明，该薄膜可用于微电池。
2.2 LiMn2O4正极材料
为了降低成本，可以用金属锰代替钴制备LiMn2O4。这种材料是一种研究较多的材料。它具有尖晶石结构，属于fd-3m空间群。氧原子(o)以面心立方方式排列，Mn原子交替分布在氧原子的八面体间隙中。其中mn2o4骨架形成四面体和八面体共面三维网络，有利于Li +离子扩散，有利于锂离子解吸和包埋。尖晶石LiMn2O4资源丰富，价格便宜，安全性好，无污染。它的应用前景很有吸引力，但它的比容量低，高温循环和储存能力差。摘要为了改善尖晶石LiMn2O4的性能，研究了limymn2-yo4 (m代表CO、Cr、Ni、Al等)和Ti尖晶石材料等阳离子取代材料。然而，这种材料的性能还需要进一步提高。
2.3 LiFePO4正极材料
Limpo4 (M = Fe、Ni、Mn、Co、Cr)正极材料为橄榄石结构，属正交晶系。空间组pmnb。O紧密排列成六角形，P占据四面体空间。Li和M交替占据八面体空间，形成二维锂离子插层和解离通道的三维骨架。对这种材料的研究工作始于1997年帕迪等人。其代表性材料为LiFePO4。此后，由于其成本低、资源丰富、结构稳定性和热稳定性高等优点，逐渐成为研究热点，成为锂离子电池极有前途的正极材料。从安全的角度来看，LiFePO4是电动汽车和混合动力汽车电池正极材料的最佳选择。然而，该材料也有导电性差和出料密度低的缺点。从理论上和实验上对改善材料性能进行了探讨。它不仅取得了巨大的突破，而且为我国的科研事业做出了应有的贡献，使我国科学技术的发展水平得以有效提高，满足人们日常的需要和使用要求。
2.4 其它正极材料
为了提高2次电池的比容量,正在广泛探索其它正极材料,如导电高分子聚合物和有机硫化物正极材料等。
3 电解液
电解液的作用是在电池的正负极之间形成一个良好的离子传导通道。理想的锂离子电池电解质应满足以下要求:高离子导电性、抗氧化性、热稳定性、对锂的热力学稳定性高、无毒、环境可接受、成本合理、易于大量使用。水电解质具有离子状态稳定、粘度低、电导率高等优点，因此得到了广泛的应用。但受水分解电压(1.23V)的限制，水电解质电池的最高电压只能在2.0V以内。使用有机溶剂电解质，由于采用高还原活性金属及其化合物作为负极材料，可以大大提高电池的工作电压。然而，有机溶液的电导率通常远低于水溶液，有机电解质电池的输出功率相对较低。
结束语
锂离子电池因其高比容量而备受关注，其性能与关键材料密切相关。研究关键材料对提高电池性能具有重要意义。
参考文献:
[1]李相哲, 苏芳, 徐烨玲. 锂离子动力电池材料研究进展[J]. 电池工业, 2018, 022(003):138-146.
[2]兰凤崇, 骆济焕, 陈吉清,等. 车用动力电池关键材料技术及发展趋势研究[J]. 科技管理研究, 2019.