稀土锂电池材料概述

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1、稀土锂电池材料概述毛永军，S20106038；北京有色金属研究院摘要：介绍稀土锂电池研究的背景：纯电动汽车的迅速发展以及当前石油资源的紧缺。重点概述了锂电池、稀土锂电池的基本原理、以及稀土锂电池中稀土元素的参杂；对比稀土锂电池相对于传统电池具有的性能优势。分析了在纯电动汽车上广泛应用的基本条件，研究现状以及发展前景。引言我国大城市的大气污染已不能忽视,燃油汽车排放是主要污染源之一。我国已有16个城市被列入全球大气污染最严重的20个城市之中。我国现今汽车的拥有量是每1000人平均10辆汽车,但石油资源不足,每年已进口几千万吨石

2、油,随着经济的发展,假如中国汽车持有量达到现在全球水平，每1000人有110辆汽车,我国汽车持有量将成10倍地增加,石油进口就成为大问题[1]。因此在我国研究发展电动汽车不是一个临时的短期措施,而是意义重大的、长远的战略考虑。电动汽车本身不排放污染大气的有害气体,废气排出比燃油汽车减少92%-98%。即使按所耗电量换算为发电厂的排放,除硫和微粒外,其他污染物也显著减少。由于电厂大多建在远离人口密集的城市,对人类伤害较少,而且电厂是固定不动的,集中的排放,清除各种有害排放物较容易,也已有了相关技术[2].电力可以从多种一次能源

3、获得,如煤、核能、水力等,可缓解人类对石油资源的依赖以及对其日见枯竭的担心[3]。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电,使发电设备日夜都能充分利用,大大提高其经济效益。正是这些优点,使电动汽车的研究和应用成为现代汽车工业的一个"热点"。比亚迪、丰田、奇瑞等汽车公司都推出各自的纯电动汽车。电动汽车将会慢慢成为汽车发展的一种趋势和必然[4]。当前限制纯电动汽车广泛应用的最核心部件是动力电池的性能。电动汽车需要的电池应该具备下列性能，可以反复的充电、充电速度快、能量密度高、安全平稳[5]。而传统的钠硫电池、锰酸锂电池

4、、磷酸铁锂电池不能全部满足上述性能。但稀土锂电池不但能满足上述性能,且价格低廉，生产原料充分，已经规模化、产业化生产，有可以回收再造的优势，稀土锂电池耐高温，彻底解决了离子不稳定的情况问题，所以稀土锂电在行业内是非常被看好的电池材料[6]。2、稀土锂电池的基本原理及元素掺杂锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池使用以下反应：Li+MnO2=LiMnO2，该反应为氧化还原反应，放电。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高，所以锂电池生产要在特殊的

5、环境条件下进行。但是由于锂电池的很多优点，锂电池被广泛的应用在电子仪表、数码和家电产品上。但是，锂电池多数是二次电池，也有一次性电池。少数的二次电池的寿命和安全性比较差。后来，日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极[7]。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们

6、使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。原理如下图1所示。图1锂电池内部结构锂电池的发展主要是由于正极材料的更新。正极材料由最初的金属锂到LiCoO2，而现在最有可能替代LiCoO2的是LiMn2O4。然而当前最具有发展潜力的是稀土锂电池。所谓稀土锂电池就是在原锂电池正极材料中参杂稀土元素，如参杂在LiCoO2中可以形成LiCoReO2化合物[8]。参杂的稀土元素

7、不改变原材料的晶体结构，只改变其晶格常数C。由于稀土原子半径较大，会使C增加，即意味着层间距变大，那么也就具有更快的Li+嵌入和迁出能力，更优异的充放电稳定性。另外，稀土的加入，会使结晶更完整，颗粒更均匀。Li+迁出后，夹层之间的静电斥力增加，因此提高O-Co-O层的极化力有利于层结构的稳定。徐光宪认为阳离子对阴离子的极化能力和电荷的平方成正比，半径成反比。因此选择电荷高、离子半径小、极化能力强的离子能提高正极材料的电化学性能。稀土金属电荷比较高，由于具有d层或f层电子，其极化率也很强。但相比只有铈的电荷半径比较大[9]。这

8、也是稀土元素得到广泛应用的原因之一。下表1是部分稀土元素的物理性质。表1稀土元素性质元素Sc3+Y3+La3+Ce3+Pr4+Nd3+Gd4+Eu3+离子半径/nm0.0810.0930.1060.0920.0900.1000.1110.094原子外层电子排布3d14s24d15s25d2