锂电池未来发展路径和趋势探讨二

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1、锂电池未来发展路径和趋势探讨二寻找新的阴极材料现今锂离子充电电池的阴极采用如三元素设计的层积猛酸锂(LiMO2)材料或钻酸锂(LiCoO2)、LiM2O4等尖晶石、或LiMPO4等橄榄石材料，平均放电电压都略大于3VO但是目前已有相对于锂电位约为5V的阴极材料，如果使用其中一个5V的阴极材料，就有可能提高平均放电电压。能量密度为特定电容与电压的乘积，因此较高的电压意味着更多的电池容量。不管安全性或成本方面，橄榄石材料都特别具有吸引力。橄榄石内磷元素(P)和氧(0)紧密键结，即使在高温下，也不会释出氧气。这使得热变形现象(thermalrunaways)较不可能发生，安全性因此

2、提高。但是，橄榄石的导电性低，业内人士对其是否可于电池中经用数年表示怀疑。最近，己经找到一种利用更小的LiFeP04微粒，并将它们用碳护套起來的方法，制作出供高输出应用的实用锂离子充电电池。(a)碳护套碳以更精细的微粒与碳护套改进阴极材料采用更精细的微粒与碳护套可以修改磷酸铁钮(UFePO4)橄榄石阴极与其他低导电材料，以输出更高的电压(ab)。★屯位范围(Potentialwindow):电解液(溶剂和盐)不会被氧化或还原的电压范围，依溶剂、盐与电极材料而变。★热变形(Thermalrunaway):电因内部短路或其他因素造成电池内的过热，会导致冒烟、起火与破裂等。更细致微

3、粒和碳护套(carbonsheathes)方法让在阴极中使用原苦于低电导性的这项材料成为可能，并迅速地增加了竞逐候选材料的数目。体认到橄榄石提供更高电压的特性后，业者们纷纷加速对利用磷酸锂猛(LiMnPO4)材料的发展。磷酸锂铁(LiFePO4)相对丁锂的电位约只有3.4V,换用LiMnPO4可以增加至4.2Vo但不幸的是，LiMnPO4导电性比磷酸锂铁要低，必须在更细小的微粒和更佳的碳护套下才能使用。固溶体材料前景看好大家也致力于发展5V的阴极层状材料、积层尖品右材料的工作,其中一种具层状结构、很可能超越一般接受的275层状材料理论上限而别具吸引力的固溶体材料(Li22Mn

4、O5-LiMO2)迅速地取得关注。例如，有关联合推动的锂离子与先进电池开发计划，便正利用Li(Nio.i7Lio.2Coo.o7Mri0.56)Q2开发一项固溶体材料(图5)。据一位消息人士透露，这项材料具有一个锂层，及各种过渡金属层(钻、猛等)，但最初的充电会造成镒、钻等元素迁移到锂层，将其结构改变成一个新的稳定的形态。研究人员表示过渡金属中的银元素在这过程中并不会迁移。铿层5过渡金属层(a)初始状态(Cs-STEM球律差修正扫描穿透式电子显微镜影像)(b)前10个周期的充/放电特性100200电容(mAh/g)432(>0曲S卿H-友5?提供更高容量前景的固溶体材料正在开

5、发一种预期可提供更高容量的U(Nio.17Li0.2C00.07Mno.56)02ia溶材料。这种材料本身具有层状结构，们•在初始充电后结构会产牛:变化(a)。据证实，新结构能展现出高丁•层状阴极材料理论数值280mAh/g的容电量(b)。除了猛与钻的氧化还原反应外，电荷补偿(02■对O)被认为是造成更大容屯量的原因。人家正积极进行对氟磷酸盐橄榄石(aMP04F)、硅酸盐(Li2MSO4)与其他提供超过300mAh/g高特定电容材料的研发工作。利用硅合金複合材料不同于特定电容普遍偏低的阴极材料，例如硅和锡等许多阳极材料的电位可以提供更大的容量。特别是硅的理论容量至少10倍于现

6、今最常用的阳极材料石墨。但是锂离子的嵌入可以导致400%的体积变化，让结构很容易因反覆充/放电遭到破坏，使延长其生命週期成为一个关键性问题。大家已经在尝试一些包括与传统石墨溷合以制造空气间隙(airgaps),从而控制体积膨胀到一定程度、以及合金化氧化硅或其他材料后再溷合石墨，以创造出一种氧化硅■碳(SO-C)複合材料。第-个使用这种硅複合材料阳极的电池预计将在•、两年内以手机用锂离子充电电池的形态出现。