锂离子电池正极材料知识概述

不同颗粒形貌对压实密度的影响
RX767
RX767压实后
三元
三元压实后
D50: 10.719， 最大压实密度： 4.32
D50: 11.385， 最大压实密度： 3.52
不同粒度分布对压实密度的影响
LiCoO2, D50: 11.546
压实后
LiCoO2 , D50: 7.016
压实后
最大压实密度： 4.40
3.1.1 LiCoO2的结构
3
1
4 2
Co3+ (3b)
O2 (6c)
Li+ (3a)
LiCoO2具有-NaFeO2结构，属六方晶系， R-3m空间群，其中6c位上的O为立方密堆积，3a 位的Li和3b位的Co分别交替占据其八面体孔隙， 在[111] 晶面方向上呈层状排列，理论容量为274 mAh/g。
过锂离子所在的平面迁移到电解液中，并且此时钴（CoO2）的氧 化性很强，容易和电解液发生反应失氧，造成很大的不可逆容量 损失。因此在实用锂离子电池中，0 x 0.5，充放电电压上限为 4.2 V，在此范围内，LiCoO2具有平稳的电压平台（约3.9 V）， 充放电过程中不可逆容量损失小，循环性能非常好。
成为锂离子电池正极材料研究领域的一个热点。
LiNi1yCoyO2的电化学性能与其组成密切相关，Co的加入能够提高电化 学循环稳定性。稳定性的提高，一方面是因为Co增强了结构有序性，促进 了接近整比产物的合成；另一方面是因为Co在一定程度上抑制了锂离子在 嵌入脱出过程中的结构相变。
但是Co的掺入量也不是越多越好，Co的加入往往降低首次比容量，而 且增加了成本。因此，综合电极材料的容量、循环寿命和价格等诸多因素， 一般认为，LiNi1yCoyO2 (0.1 y 0.3)最具商品化前景。
3.1.2 LiCoO2的电化学行为
LiCoO2的理论容量为274 mAh/g，但在实际应用时，锂离子从 LixCoO2中可逆嵌脱最多为0.5个单元，实际容量只有140 mAh/g左 右。 LixCoO2在x = 0.5 附近会发生六方到单斜的结构相变，同时 晶胞参数发生微小变化。当x 0.5时，LixCoO2中的钴离子将从其 所在的平面迁移到锂所在的平面，导致结构不稳定而使钴离子通
与LiCoO2相比，LiNiO2的制备条件比较苛刻，其组成和结构随合成条件的改 变而变化。因为Ni2+难于氧化，按照制备LiCoO2的工艺合成出的LiNiO2几乎不具 备电化学活性，必须要在含有O2的气氛中进行反应，合成的产物往往是非整比的 LixNi2-xO2。在这种非整比产物中，部分Ni2+占据Li+位置（3a），在锂位产生部分 无序的阳离子分布，降低了材料的结构有序性，为了维持Ni2+进入Li-O层后体系 的电中性平衡，Ni-O层中也必然有等量的Ni2+存在（3b），化学式可以表示为 [Li+yNi2+1-y]3a[Ni2+1-yNi3+y]3bO22，这就是“阳离子混排”现象。
3.4 LiNi1x-yCoyMnxO2
LiNi1x-yCoyMnxO2与LiCoO2一样，具有NaFeO2 型层状结构（R-3m空间群），理论容 量约为275 mAh/g。
在三元材料中，Mn始终保持+4价，没有电 化学活性，Ni和Co为电化学活性，分别为+2 价和+3价。
由于Mn的价态在充放电过程中保持 不变，起到结构支撑作用，因此结构比 较稳定，在充放电过程中，不会发生像 LiNiO2的结构变化，因而具有很好的循 环稳定性和安全性能。
锂离子电池正极材料知识
1. 锂离子电池的结构 2. 正极材料的选择 3. 各种正极材料
3.1 LiCoO2 3.2 LiNiO2 3.3 三元 3.4 LiFePO4
1. 锂离子电池的结构
2. 锂离子电池正极材料的选择
发展高能锂离子电池的关键技术之一就是正极材料的开 发。近几年来，负极材料和电解质的研究都取得了较大的进 展，相对而言，正极材料的发展较为缓慢，商品化锂离子电 池中正极材料的比容量远远小于负极材料，成为制约锂离子 电池整体性能进一步提高的重要因素。因此，正极材料的研 究受到越来越多的重视。
以LiCoO2为例： Co = 96500/M = 96500*1000/3600*98 = 273 mAh/g
LiNiO2为274 mAh/g； LiMn2O4为148 mAh/g， LiFePO4为170 mAh/g。
（3）嵌入脱出过程的可逆性好，充放电过程中材料结 构变化较小； （4）锂离子能够快速的嵌入和脱出，具有高的电子导 电率和离子导电率； （5）在电解液中化学稳定性好； （6）低廉，容易制备，对环境友好等。
作为理想的锂离子电池正极材料，锂离子嵌入化合物必须满足以下要 求：
（1）具有较高的氧化还原电位，保证锂离子电池的高电压特性；
LiCoO2（Li+/Li）
Graphite（Li+/Li）
（2）允许大量的锂离子嵌入脱出，保证锂离子电池的高 容量特性； 理论容量的计算：C0 = 26.8n m/M Co---- 理论容量；n---- 成流反应的得失电子数； m ---- 活性物质完全反应的质量；M----活性物质的摩尔质 量
最大压实密度： 3.74
三元和LiCoO2混合使用
1. 提高体积比容量； 2. 提高循环性能； 3. 提高安全性能; 4. 降低成本
3.5 LiMn2O4
尖晶石型LiMn2O4为面心立方结构，属 Fd-3m空间群，其中O为立方密堆积，占据32e 位，Li+位于四面体的8a位，Mn4+和Mn3+按各 一半的比例占据八面体的16d位，而八面体16c 全部空位，四面体和八面体共面连在一起为 锂离子的扩散提供了一个互相连通的三维隧 道结构，锂离子沿着8a-16c-8a的路径自由的 脱出或嵌入。
Voltage (V)
4.6 4.4 4.2 4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0 2.8
0
cba
20
40
60
80
1 00
120
140
Capacity (mAh/g)
LixMn2O4主要有2个脱嵌锂电位：4 V和3 V。 0 x 1时，锂离子的脱嵌发生在4 V左右，对应 于锂从四面体8a位置的脱嵌。在此范围内，锂离 子的脱嵌能够保持尖晶石结构的立方对称性，电 极循环良好。
5. 钴毒性较大，环境污染大
3.2 LiNiO2
与LiCoO2相似，理想的LiNiO2为-NaFeO2 型六方层状结构，属 R-3m空间群， Li 和Ni分别占据3a位和3b位，LiNiO2正极材料的理论 容量为275 mAh/g，实际容量达到180-200 mAh/g。相对于LiCoO2而言， 镍的储量比钴大，价格便宜，而且环境污染小。
2. 二元材料实际放电容量较高，可达175 mAh/g以上，但平台较低，合成 困难（需在氧气气氛中进行），压实密度不高。
3. 三元材料结构稳定，循环性能好，安全，实际放电容量较高，可达160 mAh/g以上，但压实密度较低。
压实密度
压实密度与材料的理论密度和颗粒形貌、粒度分布等有关。 理论密度 = 单胞内原子总质量/单胞体积
LiCoO2充放电过程中的结构相变
零应力表面处理
充放电过程中的导电率和晶胞体积变化
充电过程中，随着脱 锂，电导率会剧增6 个数量级，达到1 S/cm ;
充电过程中，c轴变 长，a轴变短，晶胞 体积变大
总之，作为锂离子电池正极材料，LiCoO2具有下列特点： 1. 合成方法比较简单； 2. 工作电压高，充放电电压平稳，循环性能好； 3. 实际容量较低，只有理论容量的一半； 4. 钴资源有限，价格昂贵；
三元材料可以看作为Ni、Co和Mn取代LiCoO2中的Co，与 LiCoO2同为六方结构，都属R-3m空间群。 Ni、Co和Mn的原子 量、离子半径相近，因此理论密度相近。
在实际应用中，LiCoO2的压实密度（RX767）可达4.2 g/cm3，
而三元材料最大只有3.7 g/cm3。这主要与颗粒形貌和粒度分 布有关。
充放电曲线表现出明显的 充放电平台，LixNiO2在充放电 过程中经历了几个相变过程， 每个平台对应一个相变过程。
六方（R1） 单斜（M） 六方（R2） 晶体破坏 充放电稳定性劣化严重
3.3 LiNi1yCoyO2
Counts
H-LNG-44-01
22500
10000
2500
0 20
30
40
LixNi2-xO2的非整比性对其电化学性能有较大的影响。LixNi2-xO2中占据锂位 （3a）的Ni2+离子在首次充电（脱锂）时，会被氧化成半径更小的Ni3+离子甚至 Ni4+离子，使层间距不可逆的减小，造成该离子附近结构的塌陷，在随后的嵌锂 过程中，Li+离子将难于回到已塌陷的位置，从而造成放电（嵌锂）时容量的不 可逆损失，这种不可逆损失与占据锂位的Ni2+离子的量有直接关系。
LixMn2O4在过放电（1 x 2）的情况下， 在3 V左右出现电压平台，锂离子嵌入到空的16c 八面体位置，产生结构扭曲，原来的立方体 LiMn2O4转变为四面体Li2Mn2O4，锰从3.5价还 原为3.0价。该转变伴随着严重的Janh-Teller畸变， c/a变化达到16％，晶胞体积增加6.5％，导致表 面的尖晶石粒子发生破裂。因此，LiMn2O4只能 作为理想4 V锂离子电池正极材料，其理论容量 为148 mAh/g，实际容量为120 mAh/g。
锂锰氧化物具有电化学性能好、成本低、资源丰富以及无毒性等优点，是
目前研究较多的锂离子电池正极材料之一 。
尖晶石型LiMn2O4作为锂离子电池正极材料，目前存在以下几个缺陷：
（1）锰的溶解，放电末期的Mn3+浓度最高，在粒子表面容易发生歧化反应：