什么是鋰離子電池，鋰離子電池正極材料的認(rèn)識(shí)
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-30 09:53
點(diǎn)擊量：次
正極材料一直是鋰離子電池核心，它的選擇直接決定了電池性能的高低。正極材料的選擇主要是，可逆脫鋰和嵌鋰的過渡金屬氧化物，是鋰離子電池的重要成分之一。鋰離子正極材料主要以氧化物為主，目前，LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等鋰化物都是常見的正極材料。它們具有相對(duì)于鋰較高的電極電勢，可以保證電池有較高的開路電壓。由于正極材料對(duì)電池性能影響較大，所以很多研究者們致力于研發(fā)出性能更高的正極材料。近年來也有一些新型結(jié)構(gòu)的材料如硅酸鹽，硼酸鹽以及橄欖石結(jié)構(gòu)派生物也用作正極材料。由于世界各地錳資源較豐富，原料成本較低，LiMn2O4具有較高的工作電壓和能量密度，而且對(duì)環(huán)境友好，所以日前成為最有發(fā)展?jié)摿Φ恼龢O材料之一。在商品化的鋰離子電池中， LiCoO2是應(yīng)用最為廣泛的正極材料之一，但是其原料成本價(jià)格昂貴、對(duì)環(huán)境危害較大，還存在著安全隱患，越來越難以人類滿足發(fā)展的需要。LiMn2O4是尖晶石結(jié)構(gòu)，其對(duì)環(huán)境友好，原產(chǎn)料資源豐富，低成本和安全性能好，對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是最有潛力替代LiCoO2的正極材料之一。
尖晶石型的LiMn2O4中的Mn有Mn3+和Mn4+，在電解液的作用下，LiMn2O4中的Mn3+會(huì)發(fā)生歧化反應(yīng)，電解液中會(huì)溶有歧化反應(yīng)生成的Mn2+。電解液中存在少量的H2O，Mn2+與電解液中的LiPF6和H2O反應(yīng)生成HF酸，HF酸又會(huì)反過來加速歧化反應(yīng)，進(jìn)一步加速M(fèi)n3+的溶解，嚴(yán)重破壞了尖晶石結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了循環(huán)性能下降。這也是導(dǎo)致尖晶石LiMn2O4在高溫下容量衰減較快的主要原因。
另外，在充放電過程中，尖晶石型LiMn2O4中的Mn平均化合價(jià)接近或低于+3.5時(shí)，就會(huì)引起強(qiáng)烈的Jahn-Teller畸變，使尖晶石氧八面體產(chǎn)生壓扁畸變，雖然尖晶石結(jié)構(gòu)晶格的整體畸變不大（c/a=1.011），但是引起的局部八面體對(duì)稱畸變不可忽略，導(dǎo)致了尖晶石晶化程度的降低，同時(shí)會(huì)降低鋰離子的擴(kuò)散和電極材料的導(dǎo)電性，最終會(huì)造成在充放電循環(huán)過程中，尖晶石型LiMn2O4產(chǎn)生結(jié)構(gòu)畸變而失效。
鋰離子電池由于具有能量密度高、環(huán)境友好和循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已在便攜電子設(shè)備和電動(dòng)汽車中得到了廣泛應(yīng)用，在儲(chǔ)能領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色。然而，由于鋰資源的稀缺性，導(dǎo)致鋰離子電池在大規(guī)模應(yīng)用中不得不面臨資源和成本的問題，而發(fā)展廉價(jià)高效的新型儲(chǔ)能電池則變成了大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域的重要研究方向——
由于鈉與鋰相近的電化學(xué)性能，鈉離子電池與鋰離子電池相似的工作原理，以及鈉元素豐富的資源和低廉的價(jià)格，所以鈉離子電池被認(rèn)為在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。日前，武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院諶偉民團(tuán)隊(duì)通過協(xié)調(diào)表面誘導(dǎo)反應(yīng)和嵌入式反應(yīng)等，獲得了高性能的鈉離子電池碳負(fù)極材料。
此前，國際著名出版社Wiley旗下期刊Advanced Science在線發(fā)表了武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院在鈉離子電池方面的最新研究成果：《協(xié)調(diào)表面誘導(dǎo)反應(yīng)和嵌入式反應(yīng)：獲得高性能的鈉離子電池碳負(fù)極材料》(Coordination of Surface-Induced Reaction and Intercalation: Towards a High-Performance Carbon Anode for Sodium-Ion Batteries)。諶偉民博士為第一作者。
諶偉民介紹，他們在實(shí)驗(yàn)室中先通過高溫碳化有機(jī)鉀鹽制備出硬碳，再用硝酸活化，在碳表面創(chuàng)造出豐富的儲(chǔ)鈉活性位點(diǎn)，同時(shí)擴(kuò)展碳的層間距離，得到一種富含氧官能團(tuán)的多孔碳材料(ORC);再通過分析碳材料的儲(chǔ)鈉性能和鈉離子在固相電極材料中擴(kuò)散反應(yīng)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)了表面誘導(dǎo)儲(chǔ)鈉和嵌入式儲(chǔ)鈉的協(xié)同作用機(jī)制，通過協(xié)調(diào)表面反應(yīng)和嵌入式反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了鈉離子電池負(fù)極材料高的倍率性能和長的循環(huán)壽命。通過上述方法獲得的含氧官能團(tuán)活化碳電極材料可以在3分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)滿充，循環(huán)壽命長達(dá)1000余次。
該研究工作除了諶偉民團(tuán)隊(duì)的不懈努力之外，同時(shí)也得到了華中科技大學(xué)動(dòng)力與儲(chǔ)能電池實(shí)驗(yàn)室黃云輝教授團(tuán)隊(duì)的大力支持。合作雙方對(duì)硬碳負(fù)極的研究主要集中于以自然資源豐富的生物質(zhì)為原料，通過簡易而“綠色”的方法，構(gòu)筑出異質(zhì)元素?fù)诫s的多孔生物質(zhì)碳材料，并將其應(yīng)用于鈉離子電池的研究中，以進(jìn)一步降低碳材料的制備成本和提高硬碳負(fù)極的儲(chǔ)鈉性能，同時(shí)對(duì)加快生物質(zhì)材料的推廣和應(yīng)用也具有重要意義。
諶偉民團(tuán)隊(duì)所在的化工與制藥學(xué)院始設(shè)于1972年的化學(xué)工程系，學(xué)院40余年來一直是學(xué)校辦學(xué)歷史最悠久、教學(xué)科研實(shí)力最強(qiáng)、特色最鮮明的學(xué)院之一。設(shè)有化學(xué)工程與工藝、能源化學(xué)工程、制藥工程和藥物制劑四個(gè)本科專業(yè)，在化工與制藥類進(jìn)行大類招生。中國科學(xué)評(píng)價(jià)研究中心(RCCSE)、中國教育質(zhì)量評(píng)價(jià)中心聯(lián)合中國科教評(píng)價(jià)網(wǎng)推出了《2017年中國大學(xué)及學(xué)科專業(yè)評(píng)價(jià)報(bào)告》，在中國大學(xué)分專業(yè)類競爭力排行榜中，學(xué)院化工與制藥類專業(yè)位居全國高校專業(yè)排名14強(qiáng)，培育了大批精英人才。
