基本内容

锂离子二次电池。该锂离子二次电池通常包括电极组件，容纳该电极组件的容器，及电解液。该电极组件包括极性相反的两个电极和隔板。该隔板包括含有陶瓷颗粒簇的多孔膜。该多孔膜是通过用粘结剂粘结颗粒簇形成的。各颗粒簇是通过烧结或者是通过溶解和重结晶全部或部分陶瓷颗粒而形成的。该陶瓷颗粒包含具有带隙的陶瓷材料。各颗粒簇可以具有葡萄串或薄层的形状，并且可以通过层压鳞片或薄片形状的陶瓷颗粒形成。

化学电池，是一种直接把化学能转变成低电压直流电能的装置，自1800年意大利人伏特发明电池,至今已有200多年的历史,但在二次世界大战前,电池还是以锌锰干电池和铅酸蓄电池为主[1]。二次世界大战后由于空间技术、移动通信、导弹、航空航天等领域的快速发展以及现代人们对能源危机、环境保护的关心,高储能电池的研究、开发已引起了人们的广泛关注。由于锂是所有金属元素中质量最小、电极电位最低,所以由锂组成的电池具有开路电压高、质量比容量大等特点。在20世纪70年代人们用锂做成了一次性锂电池,1990年SONY公司首先在市场上推出锂离子二次电池(通常简称为锂离子电池)。最近几年移动通讯的快速发展以及笔记本电脑的普及,锂离子电池迅速代了镍镉、镍氢电池成为最受欢迎的高能电池。目前商用锂离子电池的质量比容量大约在80～130mAh・g-1,循环寿命可达500～1000次以上,预计到2005年可达160mAh・g-1以上。锂离子电池在电动汽车上也有着很好的应用前景。具有超薄、超轻、高能量密度的固态聚合物锂离子电池和塑料锂离子电池也已相继开发出来并开始走向市场。

材料构成

锂离子电池的主要构造部分有正极、负极、能传导锂离子的电解质、把阴阳极隔开的隔离膜、正极引线及负极引线。在充电时阴极材料中的锂离子开始脱离阴极透过隔膜向阳极方向迁移,在阳极上捕获一个电子被还原为Li并存贮在具有层状结构的石墨中。放电时在阳极中锂会失去一个电子而成为锂离子Li+并穿过隔膜向阴极方向迁移并存贮在阴极材料中。由于在充放电时锂离子是在阴阳极之间来回迁移,所以锂离子电池通常又称摇椅电池。锂离子二次电池与传统电池相比，具有如下特点[2]，例如:

①　平均放电电压较高，一般在3.6伏左右；

②　无论是体积是体积容量还是自量容量，均比较大；

③　放电时间长；

④　质量轻。

1、负极材料

负极材料早期是直接采用金属锂,但在充放电过程中会产生枝晶锂而枝晶锂会刺破隔膜而导致短路、漏电甚至发生爆炸。采用铝锂合金可解决枝晶锂的问题,但循环几次后会出现严重的体积膨胀以至粉末化。摇椅电池概念的提出解决了此问题,它利用具有层状结构的非金属材料如石墨存贮锂以避免枝晶锂的产生,从而大大提高电池使用安全性[3]。

1.1　碳材料可分为天然碳材料和人工碳材料。天然石墨材料的石墨化程度高、结晶完整、嵌入位置多、容量大,但对电解液比较敏感,循环稳定性较差。人工碳材料包括软碳材料和硬碳材料。在硬碳材料中存在较大的不可逆容量。在碳材料中掺入钾、硼以及碳纤维表面上镀上一层Ag、Zn、Sn[4]能够有效地提高材料的容量及充放电效率。

1.2　金属合金在锂当中掺入低熔点金属如Bi、Pb、Sn、Cd形成锂金属合金具有很高的可逆容量,但在充放电过程中会出现体积膨胀(可达200%),产生粉末化以至颗粒间不能很好接触、电子不能很好传递。Dahn[5]把Sn沉积在电化学惰性SnFe3C晶粒表面上所合成的材料具有很好的循环性能,但容量较低。

1.3　金属氧化物为了解决金属粉末化问题,Idota[6]提出使用金属氧化物如SnO2而不是纯金属作为阳极材料。金属氧化物MO(M=Co,Cu,Ni,Fe等)纳米材料在循环100次后容量仍然能保持在700mAh・g-1[7]。此外其它金属氧化物如InVO4、FeVO4、MnV2O6、TiO2也具有较大的贮锂能力,但不可逆容量较大。

1.4　金属氮化物最近人们发现一些过渡金属氮化物Li3-xMxN(M∶Co,Ni,Cu)具有很好的电化学稳定性能和很高的可逆存量,充放电容量可达760mAh・g-1[8]。Li2.6Co0.4N容量可高达900mAh・g-1[9]并可用来改善SnO的电化学性能。对其嵌锂机理研究发现在首次脱锂后材料会由六方相向无定形相转化,而无定形相可以嵌入大量的锂离子。

1.5　纳米硅纳米硅也具有很高的贮锂容量,也是目前的一研究热点。把纳米Si均匀分散在电化学惰性TiN晶格中以及把硅沉积在多孔镍基底上制成的薄膜硅均可获得较高容量。利用化学蒸气沉积法在碳材料中复合进去一些纳米硅,材料的容量可明显提高],而用碳包覆硅容量可达1200mAh・g-10。

2、正极材料

目前市场上锂电池产品正极材料主要是采用LiCoO2,因其制作工艺简单,材料稳定性能好,循环次数可达千次以上。但LiCoO2存在着许多缺点:价格昂贵,对环境有污染,安全性能不好,比能量偏低,约140mAh・g-1。用Ni或Mn部分替代Co一方面可降低成本、减少污染,还可以提高材料的可逆容量和循环稳定性能。

2.1　LiNiO2LiNiO2也具有层状结构,可逆容量可达200mAh・g-1。但在制备过程中,容易产生富镍、非化学计量比材料。由于锂镍容易产生位错而影响材料的容量和循环稳定性能,特别是其高氧化态以及热稳定性能都很差。