锂离子电池正极材料的晶体结构及电化学性能

第22卷第1期2010年1月

化　学　进　展

PROGRESSINCHEMISTRY

Vol.22No.1

　Jan.,2010

锂离子电池正极材料的晶体结构及电化学性能

于　锋

1,2

　张敬杰

13

　王昌胤　袁　静

31,2

　杨岩峰　宋广智

11

(1.中国科学院理化技术研究所　北京100190;2.中国科学院研究生院　北京100049;

3.北京有色金属研究总院能源材料与技术研究所　北京100088)

摘　要　正极材料是锂离子电池的重要组成部分。作为提供自由脱嵌锂离子的正极材料,其晶体结构

的特点决定了锂离子脱嵌路径方式的不同,并对锂离子电池的电化学性能等产生明显影响。本文根据正极材料的晶体结构和锂离子“脱嵌/嵌入”路径方式的不同,重点讨论了一维隧道结构、二维层状结构和三维框架结构正极材料的晶体结构特点、锂离子“脱嵌/嵌入”,主要包括一维隧道结构正极材料LiFePO4,二维层状结构正极材料LiMO2(M=Co,Ni,Mn)、Li1x3和Li2MSiO4(M=Fe,Mn)以及三维框架结构正极材料LiMn2O4和Li3V2(PO4)3存在问题,并对今后的发展方向进行了评述。

关键词　锂离子电池　正极材料　中图分类号:O6141111;.　文章编号:10052281X(2010)0120009210

CrystalandElectrochemicalPerformanceofLithiumIon

BatteryCathodeMaterials

　ZhangJingjie　WangChangyin　YuanJing　YangYanfeng　SongGuangzhi

(1.TechnicalInstituteofPhysicsandChemistry,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China;

2.GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;

YuFeng

1,2

13

3

1,2

1

1

3.EnergyMaterialsandTechnologyResearchInstitute,GeneralResearchInstitutefor

NonferrousMetals,Beijing100088,China)

Abstract　Astheimportantbuildingblocksoflithiumionbattery,cathodematerialsprovideallextracting/insertinglithiumions.Electrochemicalperformanceoflithiumionbatteryisaffectedbythedifferentwaysoflithiumionmigrationincrystalstructureofcathodematerials.

Inthispaper,therelationshipofcrystalstructure,lithium

ionmigrationwayandelectrochemicalperformancearereviewedindetailintermsofcrystalstructure:one2,two2andthree2dimension.Thesecathodematerialsaremainlyolivine2structuredLiFePO4,α2NaFeO2layeredLiMO2(M=Co,Ni,Mn),monoclinicstructuredLi1+xV3O8,orthogonalstructuredLi2MSiO4(M=Fe,Mn),spinelstructuredLiMn2O4andNASCIONstructuredLi3V2(PO4)3.Moreover,wediscussthepresentsituationandchallengesthatre2mainregardingthelithiumionbattery,andhighlightongoingresearchstrategiesoncathodematerials.

Keywords　lithiumionbattery;cathodematerials;crystalstructures;electrochemicalperformance

3　One2dimensioncathodematerialLiFePO43.1　Olivine2structuredcharacteristics

3.2　Electrochemicalperformanceameliorations4　Two2dimensioncathodematerials

Contents

1　Introduction

2　Lithiumionbatterycathodematerials

　　收稿:2009年4月,收修改稿:2009年6月

　3Correspondingauthor　e2mail:jjzhang@http://;yufeng05@http://

10　

化　学　进　展

第22卷

α24.1　NaFeO2layeredLiMO2(M=Co,Ni,Mn)4.2　MonoclinicstructuredLi1+xV3O8

4.3

　OrthogonalstructuredLi2MSiO4(M=Fe,Mn)5　Three2dimensioncathodematerials5.1　SpinelstructuredLiMn2O4

5.2　NASCIONstructuredLi3V2(PO4)36　Conclusion

嵌/嵌入”路径方式的不同,系统介绍了一维隧道结构、二维层状结构和三维框架结构正极材料的结构

特点、电化学性能及其研究进展。试图给广大科研人员提供有益的参考,以期对今后有关锂离子正极材料的研究和应用有所帮助。

2　锂离子电池正极材料

图1列出了目前研究最为广泛的嵌锂化合物及其理论充放电电压和理论比容量(C=nF/316Mr,其中C为理论比容量,n为嵌入锂的摩尔数,F为法拉第常数,Mr为物质的分子量),可以看出嵌锂化合物在3—5V都有分布,。嵌锂脱

+

/”,Li的“脱嵌/

+

。Li的“脱嵌/嵌入”反应可表示为

++-(1)Lin<S><S>nLi+ne

(Lin<S>表示嵌锂化合物;<S>为主体晶格中可

+

供Li嵌入的单元结构)。其中,离子通道(“脱嵌/嵌入”路径)就是由晶格中间隙空位相互连接形成

+

的连续空间,它的空间分布形式直接影响着Li的

[9]

可嵌入性。

+

[1]

1　引言

锂离子电池(lithiumionbattery,LIB)是继铅酸电池、镉镍电池以及镍氢电池之后新一代二次电池,具有工作电压高、容量高、自放电小、循环寿命长、无记忆效应、无环境污染及工作温度范围宽等显著优点,作为电源更新换代产品,被认为是高容量、大功率电池的理想之选,是21世纪的绿色环保电源问世以来已广泛应用于移动电话、,航天领域、诸多领域中,(energytechnology,ET)方面得到广泛应用[1,2]。作为提供大量自由“脱嵌/嵌入”锂离子的正极材料,对于提高锂离子电池的工作电压、比能量、循环寿命等电化学性能至关重要,是研究的重点。国内外研究人员都在积极研究开发具有高电压、高容量和良

[3,4]

好可逆性能的正极材料。

锂离子电池正极材料主要由过渡金属的嵌锂化合物组成,根据锂离子“脱嵌/嵌入”路径方式的不同,大致可以分为一维隧道结构正极材料(如LiFe2PO4等)、二维层状结构正极材料(如LiCoO2、Li1+xV3O8、Li2FeSiO4等)和三维框架结构正极材料(如

[5—8]LiMn2O4、Li3V2(PO4)3等)。一维隧道结构正

极材料主要是安全性好,但其导电率低,高倍率放电性能差。已经广泛商业化的二维层状结构正极材料LiMO2在电化学性能方面比较优越,缺点是热稳定