锂离子电池正极材料的结构及性能资料
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锂离子电池正极材 料的结构及性能
严红 2007年4月
前言
锂离子电池由于具有比能量高、工作电压 高、循环寿命长、无记忆效应及污染少等优 点，现已广泛应用于移动电话、便携计算机 、数码相机、便携音乐播放器等通讯与数码 产品中。而其在电动工具、电动车、航天卫 星、武器装备以及各种储能装置等领域的应 用开发也逐渐被提到议事日程上来。
锂离子电池的应用
目前市场上应用的锂离子电池主要有两 种，一种是圆柱形锂离子电池，一种为方 形锂离子电池。从趋势上看，方形锂离子 的生产大大快于圆柱型锂离子电池的生产 ，主要原因在于其体积可以更小，容量密 度更大，有利于电子组件的轻便化。下图 分别是圆柱形电池和方形电池的结构示意 图。
Байду номын сангаас
图3 圆柱形锂离子电池示意图
图2 锂离子电池的工作原理示意图
锂离子电池的特点
锂离子电池的特性与其他传统的二次电池 相比，锂离子电池有许多的优点，这些优点主 要表现在以下几个方面： (1)能量密度高，为传统锌负极电池的2-5倍; (2)输出功率大，可大电流放电; (3)平均输出电压高(-3.6V)为Ni-Cd, Ni一H电 池的3倍; (4)自放电小，不到Ni-Cd, Ni-H电池的一半; (5)储存时间长，预期可达10年; (6)循环性能优越;
主要内容
锂离子电池的结构与工作原理 锂离子电池的特点及应用 锂离子电池正极材料的要求及影响因素 锂离子电池正极材料的结构与性能研究 锂钴氧（ LiCoO2 ）正极材料 锂镍氧（ LiNiO2 ）正极材料 锂锰氧（ LiMn2O4）正极材料 新型正极材料磷酸铁锂（ LiFePO4 ） 其他正极材料 发展前景
80 70
千 万
60 50
安 40 时 30
20 10 0 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
年份
全球动力锂离子电池近几年需求发展需求
锂离子正极材料的要求
一般说来，作为一种嵌入电极(My) : xA+AMy==AxMy下极材料(正极材料必须具有的性质 是： (1)锂离子电池的充放电过程存在关系式△G=-nFE ，为了使正负极之间保持一个较大的电位差(E)， 以保证高的电池电压(高比功率)，应要求反应的吉 布斯自由能(△G)大; (2)广阔的x范围，提供高的电池容量; (3)在x范围内，锂离子电池嵌入反应的△G改变量 小，即锂离子嵌入量大且电极电位对嵌入量的依赖 小，以确保里离子电池工作电压稳定;
表1 锂离子电池与一些二次电池的性能比较
当然锂离子电池也有一些不足之处: (1)制备条件要求高; (2)成本高，主要是LiCoO2电池成本高; (3)为提高安全性，防止正负极短路及过充电 ，必须有特殊的保护电路; 虽然锂离子二次电池也有一些不足之处， 但是与其他种类二次电池相比，锂离子二次 电池仍为首选，也必将在21世纪的能源市场 上占有举足轻重的地位。
以石墨//LiCoO2 锂离子电池为例，其电 极反应方程式如下;
充电时外界电流从负极流向正极，相应的锂 离子从LiCoO2 中脱出，经过电解液，透过隔膜 ，到达负极，嵌入负极材料中；放电时，锂离 子从负极材料中脱出，经过电解液和隔膜，嵌 入正极材料中，相应的电流从正极经过外界负 载流向负极。在正常充放电的情况下，锂离子 在石墨和 LiCoO2中脱嵌，影响其层间距的变化 ，但是不影响其晶体结构的破坏。如图2所示。
图4方形锂离子电池示意图
锂离子电池是真正的绿色高能可充电池， 深受社会和用户的欢迎。主要应用于电子产 品方面，，即通讯、便携计算机、和消费电 子产品方面，包括手机、笔记本电脑、电子 翻译器等。由于锂离子电池所具有的优越性 ，因此目前已用于火星着陆器和火星漫游器 ，在今后的系列探测任务也将采用锂离子电 池。以下是小型锂离子离子电池市场应用分 布情况。如图所示。
笔记本电脑 6%
数码相机 6%
数码摄相机 5%
手机 83%
图 5 锂离子电池市场应用分布图
锂离子电池不仅可以用于便携式电器、人造卫 星、航天行红等领域，还是电动汽车的后备电源之 一，以往的民用汽车因为存在空气污染和噪音，给 人类的环境和健康带来了严重危害。电动车之所以 能够成为未来车辆的方向，使因为它与传统内燃机 汽车相比在环境友好度、资源消耗、行车成本方面 都具有较大的优势。动力电池是电动汽车的关键的 动力，正极材料的进一步开发目标是提高比容量电 池和降低成本，使其满足发展电动车大容量电池的 要求。目前制约动力电池发展的两大问题是价格和 安全性，要想促进动力电池的发展，必须要加大科 研的投入。以下是全球动力电池近几年需求发展需 求图，如图所示。
锂离子电池的结构
电锂 解离 质子 、电 隔池 膜主 以要 及包 外括 壳正 等极 。、 其负 结极 构材 见料 图， 图1. 圆筒型锂离子电池结构示意
锂离子电池的工作原理
锂离子电池实质上是一个锂离子浓差电池，正负 电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成．充电时， 锂离子从正极化合物中脱出并嵌入晶格，正极处于 贫锂状态；放电时锂离子从负极脱出并插入正极， 正极处于富锂状态。在正常的充放电情况下，锂离 子在层状结构氧化物中的嵌入和脱出，一般只会引 起层间距的变化，而不会引晶体结构的破坏，因此， 从充放电反应的可逆性来讲，锂离子电池反应是一 个理想的可逆反应。
(8)可快速充放电，且放电平稳; (9)充电效率高; (10)工作温度范围宽，为一20-60C; (11)无污染，称为绿色能源. 此外，锂离子电池还具有无记忆效应,寿 命长，无环境污染等优点，综合性能优于铅 酸、镍镉和金属电池、被称为性能最好的电 池。近年来锂离子电池的应用在世界各地引 起轰动。下表列出了锂离子电池与及电池的 性能对比。
锂离子电池的电化学性能主要取决于所 用电极材料和电解质材料的结构和性能,尤其 是电极材料的选择和质量直接决定着锂离子 电池的特性和价格,因此,廉价高性能正负极 材料的开发一直是锂离子电池研究的重点。 近几年来,碳负极性能的改善和电解质的选择 都取得了很大进展,相对而言,锂离子电池正 极材料的研究较为滞后,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 材料的研究正受到越来越多的重视。
严红 2007年4月
前言
锂离子电池由于具有比能量高、工作电压 高、循环寿命长、无记忆效应及污染少等优 点，现已广泛应用于移动电话、便携计算机 、数码相机、便携音乐播放器等通讯与数码 产品中。而其在电动工具、电动车、航天卫 星、武器装备以及各种储能装置等领域的应 用开发也逐渐被提到议事日程上来。
锂离子电池的应用
目前市场上应用的锂离子电池主要有两 种，一种是圆柱形锂离子电池，一种为方 形锂离子电池。从趋势上看，方形锂离子 的生产大大快于圆柱型锂离子电池的生产 ，主要原因在于其体积可以更小，容量密 度更大，有利于电子组件的轻便化。下图 分别是圆柱形电池和方形电池的结构示意 图。
Байду номын сангаас
图3 圆柱形锂离子电池示意图
图2 锂离子电池的工作原理示意图
锂离子电池的特点
锂离子电池的特性与其他传统的二次电池 相比，锂离子电池有许多的优点，这些优点主 要表现在以下几个方面： (1)能量密度高，为传统锌负极电池的2-5倍; (2)输出功率大，可大电流放电; (3)平均输出电压高(-3.6V)为Ni-Cd, Ni一H电 池的3倍; (4)自放电小，不到Ni-Cd, Ni-H电池的一半; (5)储存时间长，预期可达10年; (6)循环性能优越;
主要内容
锂离子电池的结构与工作原理 锂离子电池的特点及应用 锂离子电池正极材料的要求及影响因素 锂离子电池正极材料的结构与性能研究 锂钴氧（ LiCoO2 ）正极材料 锂镍氧（ LiNiO2 ）正极材料 锂锰氧（ LiMn2O4）正极材料 新型正极材料磷酸铁锂（ LiFePO4 ） 其他正极材料 发展前景
80 70
千 万
60 50
安 40 时 30
20 10 0 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
年份
全球动力锂离子电池近几年需求发展需求
锂离子正极材料的要求
一般说来，作为一种嵌入电极(My) : xA+AMy==AxMy下极材料(正极材料必须具有的性质 是： (1)锂离子电池的充放电过程存在关系式△G=-nFE ，为了使正负极之间保持一个较大的电位差(E)， 以保证高的电池电压(高比功率)，应要求反应的吉 布斯自由能(△G)大; (2)广阔的x范围，提供高的电池容量; (3)在x范围内，锂离子电池嵌入反应的△G改变量 小，即锂离子嵌入量大且电极电位对嵌入量的依赖 小，以确保里离子电池工作电压稳定;
表1 锂离子电池与一些二次电池的性能比较
当然锂离子电池也有一些不足之处: (1)制备条件要求高; (2)成本高，主要是LiCoO2电池成本高; (3)为提高安全性，防止正负极短路及过充电 ，必须有特殊的保护电路; 虽然锂离子二次电池也有一些不足之处， 但是与其他种类二次电池相比，锂离子二次 电池仍为首选，也必将在21世纪的能源市场 上占有举足轻重的地位。
以石墨//LiCoO2 锂离子电池为例，其电 极反应方程式如下;
充电时外界电流从负极流向正极，相应的锂 离子从LiCoO2 中脱出，经过电解液，透过隔膜 ，到达负极，嵌入负极材料中；放电时，锂离 子从负极材料中脱出，经过电解液和隔膜，嵌 入正极材料中，相应的电流从正极经过外界负 载流向负极。在正常充放电的情况下，锂离子 在石墨和 LiCoO2中脱嵌，影响其层间距的变化 ，但是不影响其晶体结构的破坏。如图2所示。
图4方形锂离子电池示意图
锂离子电池是真正的绿色高能可充电池， 深受社会和用户的欢迎。主要应用于电子产 品方面，，即通讯、便携计算机、和消费电 子产品方面，包括手机、笔记本电脑、电子 翻译器等。由于锂离子电池所具有的优越性 ，因此目前已用于火星着陆器和火星漫游器 ，在今后的系列探测任务也将采用锂离子电 池。以下是小型锂离子离子电池市场应用分 布情况。如图所示。
笔记本电脑 6%
数码相机 6%
数码摄相机 5%
手机 83%
图 5 锂离子电池市场应用分布图
锂离子电池不仅可以用于便携式电器、人造卫 星、航天行红等领域，还是电动汽车的后备电源之 一，以往的民用汽车因为存在空气污染和噪音，给 人类的环境和健康带来了严重危害。电动车之所以 能够成为未来车辆的方向，使因为它与传统内燃机 汽车相比在环境友好度、资源消耗、行车成本方面 都具有较大的优势。动力电池是电动汽车的关键的 动力，正极材料的进一步开发目标是提高比容量电 池和降低成本，使其满足发展电动车大容量电池的 要求。目前制约动力电池发展的两大问题是价格和 安全性，要想促进动力电池的发展，必须要加大科 研的投入。以下是全球动力电池近几年需求发展需 求图，如图所示。
锂离子电池的结构
电锂 解离 质子 、电 隔池 膜主 以要 及包 外括 壳正 等极 。、 其负 结极 构材 见料 图， 图1. 圆筒型锂离子电池结构示意
锂离子电池的工作原理
锂离子电池实质上是一个锂离子浓差电池，正负 电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成．充电时， 锂离子从正极化合物中脱出并嵌入晶格，正极处于 贫锂状态；放电时锂离子从负极脱出并插入正极， 正极处于富锂状态。在正常的充放电情况下，锂离 子在层状结构氧化物中的嵌入和脱出，一般只会引 起层间距的变化，而不会引晶体结构的破坏，因此， 从充放电反应的可逆性来讲，锂离子电池反应是一 个理想的可逆反应。
(8)可快速充放电，且放电平稳; (9)充电效率高; (10)工作温度范围宽，为一20-60C; (11)无污染，称为绿色能源. 此外，锂离子电池还具有无记忆效应,寿 命长，无环境污染等优点，综合性能优于铅 酸、镍镉和金属电池、被称为性能最好的电 池。近年来锂离子电池的应用在世界各地引 起轰动。下表列出了锂离子电池与及电池的 性能对比。
锂离子电池的电化学性能主要取决于所 用电极材料和电解质材料的结构和性能,尤其 是电极材料的选择和质量直接决定着锂离子 电池的特性和价格,因此,廉价高性能正负极 材料的开发一直是锂离子电池研究的重点。 近几年来,碳负极性能的改善和电解质的选择 都取得了很大进展,相对而言,锂离子电池正 极材料的研究较为滞后,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 材料的研究正受到越来越多的重视。