锂离子电池三元正极材料的研究进展.pdf

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1、第11期一4j·锂离子电池三元正极材料的研究进展张雪，王铨，张婷，易明明，马丽叶，米金辉，陈傲，张正国(北方民族大学化学与化学工程学院，宁夏银川750021)[摘要]本文综述了锂离子电池三元正极材料的研究进展，介绍了两种常见的三元正极材料结构特征，重点探讨了LiNil，3Col，3mnl，302锂离子电池的制备方法和改性手段，展望了锂离子电池三元正极材料未来的研究方向。[关键词]锂离子电池；三元正极材料；制备；进展锂离子电池中最核心的部分之一为正极材料，其特性对电池的储能密度、循环寿命、安全性等具有直接影响，所以其研究与进展一直被广

2、泛关注。20世纪90年代，日本Sony公司最先研发了可充放电的锂离子二次电池⋯，正极材料为电池钴酸锂。之后，又陆续发现了其他可用于锂离子电池正极的材料，如层状镍酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂和磷酸铁锂等【2】。随着信息时代的不断发展，对锂离子电池的各项性能也产生了更高的要求【3】。最具商用价值的三元正极材料主要有LiNi04C002Mn0402、LiNio5C002Mn0302、LiNil／3Col／3Mnl／302等其他正极材料。其中，LiNi．／3Co。，3Mnl，302综合TLiC002的稳定性、LiNi0：的高容量性和LiMnO：

3、的低成本性等优点，是取代LiCoO：的最理想材料。动力锂离子电池，如LiNil-x-yCo。A1。02，具有极高的比容量【4】，成为近年来动力电池行业的研究重点之一。这些三元正极材料摒弃了单一元素存在的缺点，有效利用它们的优点，从而得到了充放电循环稳定、高温稳定、低成本、环境污染小的三元正极材料。三元正极材料的制备主要与微观布局的完善和宏观特性的加强有关【5】，不同制备方式所制得的材料在结构、粒子形态、比表面积和电化学性能等方面都有一定的差别。目前最为常见的三元正极材料是LiNil／3Col／3Mn。，，0：，其制备可采用固相合成、

4、溶胶．凝胶、共沉淀及水热合成等方法。动力三元正极材料LiNiI-x-yCo。AI，O：的制备可采用共沉淀法、高温固相法、溶胶．凝胶法、熔融盐法、喷雾干燥法、燃烧法、水热法等方法。虽然三元正极材料具备了应用中的很多优点，但为制备出纯相结构，改善其充电效率，还需对其进行改性处理，其方法主要有离子掺杂、表面包覆等。l三元正极材料分类1．1L1N11_x_yCoxMny02目前最为常用的三元体系正极材料LiNil／3Col／3Mnl／302为层状结构，理论比容量【6】高达277．8mA·h·g～，被认为是LiC002、LiMn02、LiNi

5、O：三种层状锂离子电池的固溶体，C0、Mn、Ni三种过渡金属的作用机理也引起了理论界的关注。LiNil／3Col／3Mnl／302和LiC002有相近的Q．NaFe02结构，R一3m空间群，三方晶系【7】，其中，02‘占立方紧密堆积结构中的阵点，位于6c位置；Li+和过渡金属离子占密堆积结构的八面体空位，且交替排列在立方密堆积结构的(111)面上，分别位于3a和3b位置。过渡金属离子和02一之间能形成的化学键更强，和Li+以静电作用的方式结合，便于Li+可逆地嵌入和脱出【8】，从而形成二维的锂离子扩散通道。LiNi．，3Co。，3M

6、nl／30：材料的内部精细结构及其层间过渡金属原子的排布和作用机理还需进行深入研究，使之能够达到在减小材料粒子尺寸的同时保证较高的振实密度【9】的目的，研究者们正向此方向进行产业化研究。1．2LiNil。yCo。A1y02LiNil-x-yCo。AI，O2(NCA)类似于LiNiO2、LiC002、LiMn02、LiAl02等，也属于Q—NaFe02型晶体结构，R．3m空间点群。NCA是工业化产品中比容量相对很高的正极材料，其循环性能好，原作者简介：张雪(1995一)，女，满族，辽宁锦州人。北方民族大学化学与化学工程学院本科生。．铊

7、一_论文广场l碧慧粪焉挚材料来源广且成本较低，正逐渐商业化，并在国内已有应用，且在未来更具应用前景。在理想材料中Ni、Co和Al都为正三价，Ni、Co和Al原子位于3a(0，0，0)位置，Li位于3b(0，0，1／2)位置，O位于6c(0，0，2)位置。在其(1l1)晶面上，氧原子与Li和Ni、Co、A1原子聚集密切，形成有利于锂离子嵌入和脱出的层状结构材料。但其材料表面形貌、化学性能、粒度、比表面积和晶体缺陷等因素都会影响锂离子的嵌入和脱出过程。2三元正极材料的制备方法制备锂离子电池三元正极材料的方式多样，改善其微观结构和宏观性能

8、与制备方法有很大关系。制备方法不同所得的材料在粒子形态、结构、比表面积和电化学性能等方面差别较大，且对其电化学性能有影响。目前，商业化的三元正极材料通常采用共沉淀法合成得到；实验室小试中常采用溶胶凝胶法、水热合成法、喷雾干燥法、静电纺