鋰電池材料的現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢分析
來源：寶鄂實業(yè)
2019-10-14 19:42
點擊量：次
鋰離子的發(fā)展趨勢使鋰離子電池具有更高的能量密度、功率密度、更好的循環(huán)性能和可靠的安全性能。
因此，全鋰離子電源的研究方向應(yīng)該是這個方向。未來的材料應(yīng)該是陰極材料、負(fù)極材料和電解液材料。
一。電極材料
<1>陰極材料
（1）在傳統(tǒng)陰極材料（LiCoO 2、LiMnO 4、LiFePO 4等）的基礎(chǔ)上，通過摻雜、包覆、調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)、控制材料形貌等方法，開發(fā)出各種相關(guān)的衍生材料，以提高其比容量、比、循環(huán)性、壓縮密度、電化學(xué)、化學(xué)和熱穩(wěn)定性。粒度分布、比表面積和雜質(zhì)含量。
（2）三元材料（linixcoymn1-x-y）和富鋰材料（mn基和v基）具有很大的發(fā)展和技術(shù)研究空間和廣闊的應(yīng)用前景。因此，鎳鈷錳三元材料、富鋰錳基釩基材料、性能優(yōu)異的復(fù)合正極材料、高效節(jié)能的聚陰離子基正極材料是未來鋰離子電池正極材料的主流。開發(fā)更高效、節(jié)能的新型陰極材料來克服和替代現(xiàn)有缺陷也是一個研究熱點。
（3）證明了一系列過渡金屬氟化物、氧化物、硫化物和氮化物能夠?qū)崿F(xiàn)多電子轉(zhuǎn)移和高容量。基于轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)理的鋰離子電池電極材料的比容量是基于鋰離子插層和去除機(jī)理的傳統(tǒng)鋰離子電池電極材料的2-4倍。但是，仍然有許多問題需要解決。對這類材料的研究相對較少，其作用機(jī)理也不清楚。
（4）查閱文獻(xiàn)，有人制作了有機(jī)陰極材料，主要包括導(dǎo)電聚合物、硫化合物、氮氧自由基化合物和羰基化合物（具體我不太清楚，如果有希望補(bǔ)充的話）。
其中p1和p2是有機(jī)電極材料（小分子或聚合物），m+，a+是摻雜的正負(fù)離子，通常有l(wèi)i+，na+，（c4h9）4n+，cl-cicv，pf6等。p1-m+、p2+a-、pi+a-、p2-m+是摻雜的有機(jī)電極材料。
<2>陽極材料
（1）碳基材料
包括未來主要發(fā)展方向?qū)⒓性诖蠊β适?fù)極和非石墨大容量碳負(fù)極（軟碳、硬碳等），以滿足未來對動力和高能電池的需求。新的碳材料，如碳納米管（CNTs）和石墨烯，具有獨特的一維和二維柔性結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，使其成本向高能量密度、高循環(huán)特性和低成本方向發(fā)展。
（2）非碳材料
lto可以類似于碳基材料，如fe、ge、sn、si等金屬或半導(dǎo)體材料。這是當(dāng)前研究的熱點。重點研究了涂層、表面改性、納米結(jié)晶和復(fù)合等方向，以減小其體積膨脹，形成穩(wěn)定的sei薄膜。這種金屬材料，特別是硅的比容量很高。它應(yīng)該是下一代鋰離子電池的理想正極材料，但它的體積。擴(kuò)容和地震不穩(wěn)定問題至今沒有得到很好的解決，在一定程度上制約了其發(fā)展。尤其是體積能量密度相對于石墨陽極的優(yōu)勢遠(yuǎn)不如理論計算。因此，在應(yīng)用上并不是絕對優(yōu)勢。最后，鋰電池的負(fù)極材料很可能回到鋰元素本身。金屬鋰可以給鋰電池充放電。新型電池，如固態(tài)鋰電池、鋰硫電池和鋰空氣電池，正在被廣泛研究。
2.電解液材料
主要是改善電解液的電壓窗口，降低成本，電解液的應(yīng)用溫度范圍，提高固體電解液的離子電導(dǎo)率，控制穩(wěn)定sei膜的形成。
<1>液體電解質(zhì)：
目前，由于lipf6/ec:dmc電解液體系的工作溫度范圍為-20-50℃，通常采用lipf6、ec和一種或多種線性碳酸鹽作為溶劑，通過添加不同的添加劑、使用不同的溶劑、更換不同的鋰鹽來測試各種類型和場合。離子液體具有溫度范圍寬、蒸氣壓低、電化學(xué)性能好、電化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點，但價格昂貴。
<2>凝膠電解質(zhì)常用的凝膠型聚合物電解質(zhì)基體有：聚丙烯腈(PAN)、聚氧化乙烯(PEO)、聚甲基丙烯酸、甲酯(PMMA)、聚偏氟乙烯(PVDF)等。凝膠型聚合物電解質(zhì)對環(huán)境的污染小，使用的安全性能更好，在電池市場中倍受青睞。近幾年，發(fā)展的趨勢是通過納米粒子（常用的無機(jī)填料有SiO2、Al2O3）改性共聚或共混等手段，得到有較高孔隙率較低電阻較高抗撕裂強(qiáng)度較好抗酸堿能力和良好彈性的電解質(zhì)膜。
<3>固態(tài)電解質(zhì)
固體電解質(zhì)一般又稱為快離子導(dǎo)體，要求具有較高的離子導(dǎo)電性、低的電子導(dǎo)電性和低活化能。說實話，我覺得固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)該是鋰離子電解質(zhì)的終極BOSS，其提出就是要解決現(xiàn)階段鋰離子電解質(zhì)的所有問題，所以發(fā)展目標(biāo)就是從根本上解決目前所使用的鋰離子電池安全性問題，提高能量密度、循環(huán)性、服役壽命、降低電池成本等等。
3.發(fā)展與展望
當(dāng)解決了金屬鋰枝晶和安全上的一些問題時，鋰金屬很可能成為鋰電池的最終負(fù)極材料。下圖是一篇文獻(xiàn)中從理論計算的角度上對于鋰電池的發(fā)展規(guī)劃，由鋰離子電池向鋰金屬電池，再到鋰燃料電池的轉(zhuǎn)化。
<2> 以金屬鋰為負(fù)極的可充放鋰電池。氟化石墨（CF）n 的工作電壓在 2.9 V，儲鋰容量為 800 mAh/g，Li/（CF） n 電池具有較高的質(zhì)量能量密度，但是目前還無法循環(huán)。其它鋰電池，如Li/FeF3、Li/MnO2、Li/FeS2 電池循環(huán)性、安全性等綜合性能還不能全面滿足應(yīng)用的要求。
預(yù)計首先實現(xiàn)的有可能是以金屬鋰為負(fù)極，采用現(xiàn)有鋰離子電池正極材料的可充放鋰電池。
<3>最終發(fā)展的高能量密度電池應(yīng)該是以金屬鋰為負(fù)極，O2、H2O、CO2、S 為正極的可充放鋰電池，。
