关于锂离子电池正极材料的研究进展

关于锂离子电池正极材料的研究进展

王鑫

关键词：锂离子电池正极材料；层状结构正极材料；三元层状过渡金属氧化物

前言：能源资源在人民群众的日常生活中发挥着重要的作用，石油、煤炭等不可再生资源的过度使用，加剧了环境问题的恶化。在环境问题的影响下，可再生能源技术开始得到了人们的关注。以锂离子电池为代表的电化学储能系统具有着高效化、便捷化和应用性强的优势。随着锂离子电池研制技术的不断发展，这种电池已经在手机、相机和笔记本电脑等多种设备中得到了应用。

1、传统锂离子电池正极材料

正极材料在锂电池的开路电压、容量、成本及安全性等方面发挥着较为重要作用。层状结构正极材料和尖晶石结构正极材料等材料是锂离子电池制作过程中所常用的电池正极材料。随着单金属层状正极材料技术的发展，以LiNixCOyM2O2为代表的三元层状结构正极材料也开始得到了研究者的关注。

1.1层状结构正极材料

层状结构正极材料包含有LiNiO2、LiCoO2和LiNOO2等多种材料[1]。以LiCoO2为例，这种材料是最早实现商业化的正极材料。与之相关的LiCoO2/C型锂离子电池在实际应用过程中表现出了开路电压高和循环性能良好等优势。在锂电池过充电阶段，过量的锂会单质的形式沉积于锂电池阳极之中。钴酸锂过充以后所产生的CoO2具有着分解温度低、释放热量大的特点，上述问题的出现，会给以钴酸锂为正极材料带来一定的安全隐患。钴金属储量有限的问题也让以钴酸锂为活性材料的锂离子电池表现出成本偏高的问题。根据层状结构正极材料的研究现状，除了高温固相合成法和溶胶-凝胶法以外，纳米颗粒制备技术、纳米片制备技术和纳米球技术等技术也得到了学者的关注。

LiFePO4材料也是锂电池正极材料制备领域所常用的一种材料，相比于LiMn2O4和LiCoO2等材料，LiFePO4材料具有着来源广泛、价格低廉的特点，但是LiFePO4材料的合成条件较为苛刻，在Fe物质易被空气中的氧气所氧化的情况下，人们在LiFePO4材料的制备过程中，需要对让氢气发挥出保护作用。除此以外，LiFePO4材料也存在中均值电压偏低的问题。

1.2三元层状过渡金属氧化物正极材料

在传统正极材料无法满足锂电子电池的制备要求的情况下，以LiNixCOyM2O2为代表的三元层状结构正极材料（x+y+z=1）成为了学者的研究对象，根据镍元素与锂元素的比例，此类正极材料可以分为以下几种材料：一是普通三元层状过渡金属氧化物正极材料；二是高镍三元层状过度金属氧化物正极材料；三是高镍正极材料。这种材料继承了LiNiO2、LiCoO2和LiNOO2等多种材料的优点，人们在此类材料应用于锂电池生产以后，可以根据产品的实际需求，研制一些具有期望特性的产品。

1.3氧化钒锂离子电池正极材料

在锂电池生产领域，五氧化二钒也是一种较为理想化的生产材料。根据纳米化的氧化钒电极纳米材料的节后维度，人们可以将氧化钒锂离子电池正极材料分为以下内容：一是一维结构的纳米线和纳米管等物质；二是二维结构的纳米片；三是三维结构或分级结构的纳米花和纳米球等物质。

2、锂离子电池正极材料的改进研究

2.1三元层状过渡金属氧化物正极材料的改进研究

三元层状过度金属氧化物正极材料所具有的应用潜力较大的特点，让这种材料的改进研究得到了人们的关注。掺杂改善和包覆改善是三元层状正极材料所常用的改进措施。一般情况下，此类物质的掺杂改善措施涉及到了以下内容：一是Li、Ni等不稳定元素的替换；二是借助稳定的Ni离子或增加静电斥力的方式对Ni2+的迁移活动进行控制。Al、Mg、Ti、Cr和Fe等物质是用于增强金属离子与氧的键合强度。一些学者所研制的LiNi0.81Co0.01Al0.09O2具有着良好的倍率性能和热稳定性能。在包覆改善措施应用于正极材料改进研究以后，一些学者已经借助高能机械球磨法研制了LiNi0.8Co0.15Al0.05O2等石墨烯材料[2]。这种材料具有着倍率性能良好的特点，如在倍率为10C和20C的情况下，这种材料所释放的能量可以达到152mAh/g个112mAh/g。除了电子导体以外，Li0·2B2O3材料也在正极材料表面包覆过程中得到了应用。相比于未进行包覆处理的正极材料，包覆有Li0·2B2O3材料的正极材料可以表现出倍率性能和循环性能良好的特点。

2.2氧化钒锂离子电池材料的改进优化

氧化钒在深度放电的情况下，会产生不可逆的相变，因而氧化钒的电极性能改善方式可以选用电压窗口调节方式。锂离子在进入氧化钒晶体以后会产生一定的相变，在对生成的LixV2O3化合物进行分析以后，我们可以发现，在x≤1的情况下，相变过程中所生成的物质具有部分可逆的特点，在锂离子脱出以后，晶体结构可以得到部分恢复，如果x值在3及3以内，锂化物具有岩盐结构不可逆的w相，故而工作电压窗口调节措施是改善电极稳定性的有效措施。

结语：正极材料在锂电池的开路电压、容量、成本及安全性等方面发挥着较为重要作用。掺杂改善和包覆改善是三元层状正极材料所常用的改进措施。相比于未进行包覆处理的正极材料，包覆有Li0·2B2O3材料的正极材料可以表现出倍率性能和循环性能良好的特点。工作电压窗口调节措施是改善电极稳定性的有效措施。

参考文献：

[1]梁兴,高国华,吴广明.氧化钒作锂离子电池正极材料的研究进展[J].材料导报,2018,32(01):12-33+40.

[2]宋刘斌,李新宇,肖忠良,曹忠,朱华丽.锂离子电池正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2研究进展[J].功能材料,2017,48(12):12023-12029+12035.