湖南大学结晶化学调研报告

《结晶化学》课程调研报告

题目：锂离子电池及其正极材料的典型晶体结构

目录

引言

第一章锂离子电池的发展及趋势

1.1 锂离子电池的产生

1.2 锂离子电池的发展现状

1.3 锂离子电池的发展趋势

第二章锂离子电池的组成及原理

2.1 锂离子电池的组成

2.2 锂离子电池的工作原理

第三章锂离子正极材料

3.1锂离子电池正极材料简介

3.2 锂离子电池材料的研究现状及发展趋势

3.3几种典型的锂离子正极材料及其晶体结构

1.锂钴氧化物

2.锂镍氧化物

3.尖晶石型锂锰氧化物

4.嵌锂磷酸盐正极材料

5.其它锂离子正极材料

结束语

主要参考资料

引言

进入21世纪，能源短缺和环境问题日益严重，各种高能电池和燃料电池的开发利用迫在眉睫。所以，能量的合理储存和使用在充分利用地球资源以及改善人类现有及未来的生存环境等方面扮演着重要的角色。电池是一种可以将化学能转变成电能的设备。而锂离子电池由于有着容量大、工作电压高、循环寿命长、安全性能好、无记忆效应、污染少等优点，在3C市场、电动汽车、航空航天、国防工业等方面显示了宽广的应用前景和潜在的庞大经济效益，因此在短时间内成为受人瞩目的焦点。电池的性能与电极材料的性能有着密切的联系。电池材料的发展对电池的进步有着很大的影响。我们现在和未来研究的目标是制出有着高能量密度、高功率密度、低成本、对环境友好的电池材料。一次电池由于只能一次使用，所以制备与使用它消耗了巨大的能源，且废旧电池对环境造成很坏影响。因此，当前电池材料研究重心多集中在燃料电池材料和新型二次电池材料上。而二次电池材料的研究则主要集中在高能量密度的锂离子电池材料上。

第一章锂离子电池的发展及趋势

1.1 锂离子电池的产生

锂离子电池是以含锂的化合物为正极、炭材料为负极的电池，在充放电过程中，金属锂不在存在，只有锂离子，而锂离子电池是由锂电池发展而来的。由于锂电池充电的循环性不好，且在充电过程中由于电极表面容易形成锂结晶，导致电池内部短路，有着严重的安全隐患，因此，为了改进锂电池的这种缺点，科学家们在20世纪80年代开始了锂离子电池的研究。1990年日本科学家研制成以石焦油为负极，LiCoO2为正极的锂离子二次电池。同年，Moli和Sony两大电池公司推出以炭材料为负极的锂离子二次电池。1991年日本Sony公司开发出了聚糠醇热解炭为负极的锂离子电池。1993年，美国贝尔电讯公司报道了采用PVdF工艺生产的聚合

物锂离子电池。目前，锂离子二次电池的研究正如火如荼地进行中。

1.2 锂离子电池的发展现状

现在3C产业常提到的锂电池其实是钴酸锂电池，广义的可充放锂电池是指由一个石墨负极，一个采用钴、锰或磷酸铁的正极，以及一种用于运送锂离子的电解液所构成。而一次锂离子电池则可以锂金属或者嵌锂材料作为负极。

锂电池产业发展20多年来一直集中在3C产业为主，较少应用在市场经济规模更大的储能和动力电池（瞬间需要较大电流）市场，这市场涵盖纯电动车、油电混合车、中大型UPS、太阳能、大型储能电池、电动手工具、电动摩托车、电动自行车、航太设备与飞机用电池等领域。

主要原因之一是过去锂电池采用的钴酸锂正极材料LiCoO2（就是现在最常见的锂电池材料）成本较高，并且难以应用在耐受穿刺、冲撞和高温、低温等条件等特殊环境。更重要的是，因无法满足人们对安全的绝对要求而饱受诟病。

同时，钴酸锂电池也无法达到快速充电与完全避免二次污染等目的，而且，一定要设计保护电路以防止过度充电或过度放电，否则就会造成爆炸等危险，甚至出现如Sony电池爆炸导致全球品牌NB业者投下巨资回收的情况。

另外，钴的价格愈来愈高昂，全球钴元素最大生产国刚果，战乱纷扰多，导致钴元素价格不断升高。钴酸锂电池的粉体因钴元素价格不断上涨，现在已从原先的每公斤40美元涨价到60—70美元。磷酸锂铁粉体依品质好坏，每公斤售价在30—60美元之间。

这20年来，各国产学界早已投入无数的研发人力与资源，不断寻找能够取代或解决LiCoO2问题的新材料，因为，据统计，全球动力与储能电池市场的经济规模总量每年高达500亿美元，远大于钴酸锂电池每年55—60亿美元的胃纳量。从2006年7月至今，包括投入能源储存设备的Deeya Energy，发展薄膜锂电池的Infinite Power Solution，看好新世代锂离子电池─磷酸锂铁电池产业（LFP，Lithium Ferrous Phosphate）的美国A123 Systems、台湾Aleees和加拿大Phostech Lithium等业者，快速从全球创投和其他资金来源募来超过3亿美元的资金。

1.3 锂离子电池的发展趋势

近年来锂离子电池中正负极活性材料的研究和开发应用在国际上相当活跃，并已取得很大进展。材料的晶体结构规整，充放电过程中结构不发生不可逆变化是获得比容量高，循环寿命长的锂离子电池的关键。然而，对嵌锂材料的结构与性能的研究仍是该领域目前最薄弱的环节。锂离子电池的研究是一类不断更新的电池体系，物理学和化学的很多新的研究成果会对锂离子电池产生重大影响，比如纳米固体电极，有可能使锂离子电池有更高的能量密度和功率密度，从而大大增加锂离子电池的应用范围。总之，锂离子电池的研究是一个涉及化学、物理、材料、能源、电子学等众多学科的交叉领域。可以预料，随着电极材料结构与性能关系研究的深入，从分子水平上设计出来的各种规整结构或掺杂复合结构的正负极材料将有力地推动锂离子电池的研究和应用。锂离子电池将会是继镍镉、镍氢电池之后，在今后相当长一段时间内，市场前景最好、发展最快的一种二次电池。

第二章锂离子电池的结构及原理

2.1 锂离子电池的组成

如图1.1为锂离子电池的基本机构组成。锂离子电池的基本组成主要包括正极、负极、有机电解液、隔膜和电池壳。正负极材料是由正负极活性物质、粘合剂和导电剂组成。正负极活性物质都具有供锂离子自由扩散、储存的晶体结构。除了正负两极的活性材料外，电解质、隔膜材料也在锂离子电池中扮演着很重要的角色。而外壳则一般采用钢或铝材料，盖体组件具有防爆断电的功能。