鋰離子電池的組成部分之正極（非常詳細(xì)）

正極（1）

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1、正極（2）

在正極材料部分，目前市面上一般是鋰鈷(LiCoO2)、鋰鎳(LiNiO2)及鋰錳(LiMn204)三種較為常見(jiàn)，其中以鋰鈷電池性能較好,但價(jià)格是這三者中最貴的，而鋰鎳電池的性能較鋰鈷電池略差一點(diǎn)且價(jià)格也較為便宜，至于鋰錳電池其電池性能是三者中最差的但價(jià)格卻是最便宜的。

在結(jié)構(gòu)方面，鋰鈷氧化物和鋰鎳氧化物具有極為相同的構(gòu)造，均可視為類(lèi)似α-NaFeO2的層狀結(jié)構(gòu)，而鋰錳氧化物則是類(lèi)似尖晶石構(gòu)造。由于三種鋰金屬氧化物構(gòu)造的不同，具有尖晶石構(gòu)造的鋰錳氧化物在充放電下的結(jié)構(gòu)安定性較佳，大的放電速率與放電深度下最為穩(wěn)定，較不易崩潰而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化。

從上表可以看出這三種鋰金屬氧化物的特性各有優(yōu)缺點(diǎn)，鋰鈷氧化物最為普遍且制造容易，但是原料蘊(yùn)藏量最少，卻是目前商品化電池主要所使用的正極材料。雖然鋰鎳氧化物的重量能量密度最高，但是其安全性一直無(wú)法尋得適當(dāng)?shù)慕鉀Q，因此尚未普及化及商業(yè)化。鋰錳氧化物的價(jià)格是最便宜的，蘊(yùn)藏量也最豐富，若能克服較低的能量密度及高溫之熱穩(wěn)定性?xún)蓚€(gè)主要問(wèn)題，可能是未來(lái)鋰離子電池最可能被大量采用的正極材料。

1、正極（3）

①鋰鈷氧化物的制備

最常見(jiàn)的制法是直接以鋰的碳酸鹽和鈷的碳酸鹽類(lèi)或鈷的氧化物混合后，在空氣中將溫度加熱至850℃鍛燒20小時(shí)：

Li2CO3+Co2O32LiCoO2+CO2

鈷酸鋰為層狀結(jié)構(gòu)，比容量：約140mAh/g，其嵌鋰電位高，放電平穩(wěn)，循環(huán)性能好。

鈷酸鋰主要問(wèn)題：

定A、比容量偏低

B、Co資源匱乏（約1000萬(wàn)噸），價(jià)格高

因此，開(kāi)發(fā)價(jià)格低廉、比容量高、穩(wěn)定性及循環(huán)性好的正極材料替代鈷酸鋰是正極材料開(kāi)發(fā)的目標(biāo)。

1、正極（4）

②鋰鎳氧化物的制備（1）

它的合成方法可以由LiOH、Li2CO3、Ni(OH)2、NiCO3及NiO來(lái)制備。一般有兩種制造方法：

A、固態(tài)燒結(jié)法：將上述的鋰和鎳的化合物混合，在約750℃的溫度下通入空氣燒結(jié)而成

B、溶液法：是將鋰化合物溶在鎳的溶液中，經(jīng)干燥鍛燒即可合成

鎳酸鋰為層狀結(jié)構(gòu)，其比容量：160至200mAh/g，平均嵌鋰電位約為3.8V（VS.Li+/Li）

鎳酸鋰主要優(yōu)點(diǎn)：

A、比容量高

B、價(jià)格較低廉，僅為L(zhǎng)iCoO2的1/3

鎳酸鋰存在的問(wèn)題：

A、大電流充放能力差

B、穩(wěn)定性差，存在安全隱患

1、正極（4）

②鋰鎳氧化物的制備（2）

攙雜其它金屬離子LiNi1-xMxO2，是提高鎳酸鋰性能的可行性措施。

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1、正極（4）

②鋰鎳氧化物的制備（3）

LiNi0.8Co0.2O2（鎳鈷固熔體），為層狀結(jié)構(gòu)，比容量：180至190mAh/g，循環(huán)性能好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，是最具有應(yīng)用前景的正極材料。

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、正極（5）

③鋰錳氧化物（1）

LiMn204在天然界中蘊(yùn)藏量比起LiCoO2和LiNiO2的含量算是相當(dāng)豐富了，因此只要經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚肀憧梢缘玫?。但一般要得到較純的LiMn204常以?xún)煞N方法來(lái)制備：

A、固態(tài)法：混合MnO2及鋰化合物，在適當(dāng)溫度鍛燒而成

B、溶液法：將鋰鹽及錳鹽溶于水中，控制pH值使之完全溶解或形成凝膠，再利用噴霧干燥或直接鍛燒形成。

尖晶石LiMn2O4（錳酸鋰）的優(yōu)點(diǎn)：

A、資源豐富（約50億噸）、廉價(jià)、材料成本約為L(zhǎng)iCoO2的1/10

B、耐過(guò)充性能及電池安全性能好

尖晶石LiMn2O4（錳酸鋰）的問(wèn)題：

A、環(huán)性差（特別在45℃以上的高溫下）：錳的溶解、流失

B、比容量低：約120mAh/g

改善LiMn2O4的循環(huán)性：

① A、摻雜金屬離子如Cr、Al、Ni等--LiMn2-xMxO2

B、合成富鋰的錳鋰氧化物——Li1+δMn2-δO4

1、正極（5）

③鋰錳氧化物（2）

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1、正極（5）

③鋰錳氧化物（3）

尖晶石錳系材料雖然具有價(jià)格低廉這一優(yōu)勢(shì)，但由于比容量太低，因此在小型商品化鋰離子電池中很難獲得應(yīng)用（僅NEC采用），但有可能在更注意成本及安全性考慮的動(dòng)力電池中得到應(yīng)用。

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正極（6）

④層狀LiMnO2

其平均嵌鋰電位：3.0V，比容量：約200mAh/g，層狀LiMnO2的循環(huán)性較差，主要原因是循環(huán)過(guò)程中，發(fā)生向尖晶石結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)相。通過(guò)摻雜其它金屬離子可以穩(wěn)定起結(jié)構(gòu)，從而提高循環(huán)性能。例如：LiMn0.95Cr0.05O2（190mAh/g），LiCoyMn（1-y）O2（y=0.1-0.3）（200mAh/g）盡管比容量較高，但嵌鋰電位偏低，其應(yīng)用前景并不樂(lè)觀。

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1、正極（7）

⑤LiFepO4（1）

為橄欖石型結(jié)構(gòu)，其平均放電電壓：約3.4V，比容量：約130mAh/g（理論比容量170mAh/g），循環(huán)性能較好。突出的優(yōu)點(diǎn)是廉價(jià)，存在的問(wèn)題是大電流放電能力差，放電電壓平臺(tái)偏低。

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正極（7）

⑤LiFepO4（2）

突出的優(yōu)點(diǎn)是廉價(jià)，存在的問(wèn)題是大電流放電能力差，放電電壓平臺(tái)偏低。

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1、正極（7）-材料研究進(jìn)展

要求：

①嵌鋰反應(yīng)Gibbs自由能較負(fù)→高嵌鋰電位

②分子量小、嵌鋰量大→高比容量

③鋰的擴(kuò)散系數(shù)較大→高功率密度

④嵌脫鋰過(guò)程中材料結(jié)構(gòu)變化較小→長(zhǎng)循環(huán)壽命

⑤材料制備簡(jiǎn)單→易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)

⑥化學(xué)穩(wěn)定性好、無(wú)毒、廉價(jià)。

、正極（8）-材料研究進(jìn)展

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