鋰離子電池基礎科學問題系列（五）

序言：該系列文章由中國科學院物理研究所清潔能源實驗室納米離子學與納米能源材料研究組撰寫，並於2013年至2015年間連續刊載於《儲能科學與技術》雜誌「專家講座」欄目，這裡作為學習筆記整理總結！

鋰離子電池基礎科學問題系列（五）：正極材料及負極材料

01 正極材料

鑒於含Li 的負極材料在空氣中一般不穩定，安全性較差，目前開發的鋰離子電池均以正極材料作為鋰源。在目前的鋰離子電池體系中，整個電池的比容量受限於正極材料的容量，除此之外，在電池的生產中，正極材料的成本佔總材料成本的 30%以上。因此，製備成本低同時具有高能量密度的正極材料是目前鋰離子電池研究與生產的重要目標。

為了使鋰離子電池具有較高的能量密度、功率密度，較好的循環性能及可靠的安全性能，正極材料的選擇應滿足以下條件：

1. 正極材料起到鋰源的作用，它不僅要提供在可逆的充放電過程中往返於正負極之間的 Li離子，而且還要提供首次充放電過程中在負極表面形成 SEI 膜時所消耗的 Li 離子 ；
2. 提供較高的電極電位且在充放電過程中，電壓平台穩定；
3. 正極活性物質電化當量小，可逆嵌脫鋰量大，鋰離子擴散係數高，具有較高的離子和電子電導率；
4. 充放電過程中結構穩定型性好；
5. 資源豐富，無毒，化學穩定性好，製備成本低。

目前商用化使用的鋰離子電池正極材料按結構主要分為三類：

• 六方層狀晶體結構的 LiCoO2 ；
• 立方尖晶石晶體結構的 LiMn2O4 ；
• 正交橄欖石晶體結構的 LiFePO4 。

其結構和性能見下圖和下表：

其他研究的正極材料有：

• 層狀結構正極材料：例如三元材料（NCM和NCA），富鋰材料（層狀結構中Co的位置同時包含Li，層狀結構中Li的位置中Li含量不變，富鋰相的母體材料為Li2MnO3）;
• 高電壓尖晶石結構正極材料： LiNi0.5Mn1.5O4 具有 4.7 V 的平台，其中錳全部為+4 價，在充放電過程中不發生氧化還原反應，起到穩定晶體結構的作用。Ni全部為+2 價，為材料中的電化學活性金屬離子 ， 在充放電過程中Ni2+/Ni3+和Ni3+/Ni4+的兩個平台都處於4.7V左右，電壓差別很小。
• 聚陰離子類正極材料：例如磷酸錳鋰，磷酸鈷鋰，甚至有硅酸鹽，硼酸鹽，硫酸鹽等聚陰離子正極材料。

02 負極材料

負極材料的選擇應滿足以下條件：

1. 嵌脫 Li 反應具有低的氧化還原電位；充放電反映過程中，電壓平台穩定；
2. 可逆嵌脫鋰量大，充放電過程中結構穩定型性好；
3. 環境友好，製備成本低，安全性好。

目前商用化使用的鋰離子電池負極材料主要分為兩類：

• 六方或菱形層狀結構的人造石墨和天然改性石墨；
• 立方尖晶石結構的Li4Ti5O12 。

其結構和性能見下圖和下表：

其他研究的負極材料有：

• 中間相碳微球、硬碳、軟碳；
• 硅負極材料；
• SnMC 合金負極材料；
• 金屬鋰負極。

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