鋰離子電池的組成部分之正極（非常詳細）

正極（1）

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1、正極（2）

在正極材料部分，目前市面上一般是鋰鈷(LiCoO2)、鋰鎳(LiNiO2)及鋰錳(LiMn204)三種較為常見，其中以鋰鈷電池性能較好,但價格是這三者中最貴的，而鋰鎳電池的性能較鋰鈷電池略差一點且價格也較為便宜，至于鋰錳電池其電池性能是三者中最差的但價格卻是最便宜的。

在結(jié)構(gòu)方面，鋰鈷氧化物和鋰鎳氧化物具有極為相同的構(gòu)造，均可視為類似α-NaFeO2的層狀結(jié)構(gòu)，而鋰錳氧化物則是類似尖晶石構(gòu)造。由于三種鋰金屬氧化物構(gòu)造的不同，具有尖晶石構(gòu)造的鋰錳氧化物在充放電下的結(jié)構(gòu)安定性較佳，大的放電速率與放電深度下最為穩(wěn)定，較不易崩潰而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化。

從上表可以看出這三種鋰金屬氧化物的特性各有優(yōu)缺點，鋰鈷氧化物最為普遍且制造容易，但是原料蘊藏量最少，卻是目前商品化電池主要所使用的正極材料。雖然鋰鎳氧化物的重量能量密度最高，但是其安全性一直無法尋得適當?shù)慕鉀Q，因此尚未普及化及商業(yè)化。鋰錳氧化物的價格是最便宜的，蘊藏量也最豐富，若能克服較低的能量密度及高溫之熱穩(wěn)定性兩個主要問題，可能是未來鋰離子電池最可能被大量采用的正極材料。

1、正極（3）

①鋰鈷氧化物的制備

最常見的制法是直接以鋰的碳酸鹽和鈷的碳酸鹽類或鈷的氧化物混合后，在空氣中將溫度加熱至850℃鍛燒20小時：

Li2CO3+Co2O32LiCoO2+CO2

鈷酸鋰為層狀結(jié)構(gòu)，比容量：約140mAh/g，其嵌鋰電位高，放電平穩(wěn)，循環(huán)性能好。

鈷酸鋰主要問題：

定A、比容量偏低

B、Co資源匱乏（約1000萬噸），價格高

因此，開發(fā)價格低廉、比容量高、穩(wěn)定性及循環(huán)性好的正極材料替代鈷酸鋰是正極材料開發(fā)的目標。

1、正極（4）

②鋰鎳氧化物的制備（1）

它的合成方法可以由LiOH、Li2CO3、Ni(OH)2、NiCO3及NiO來制備。一般有兩種制造方法：

A、固態(tài)燒結(jié)法：將上述的鋰和鎳的化合物混合，在約750℃的溫度下通入空氣燒結(jié)而成

B、溶液法：是將鋰化合物溶在鎳的溶液中，經(jīng)干燥鍛燒即可合成

鎳酸鋰為層狀結(jié)構(gòu)，其比容量：160至200mAh/g，平均嵌鋰電位約為3.8V（VS.Li+/Li）

鎳酸鋰主要優(yōu)點：

A、比容量高

B、價格較低廉，僅為LiCoO2的1/3

鎳酸鋰存在的問題：

A、大電流充放能力差

B、穩(wěn)定性差，存在安全隱患

1、正極（4）

②鋰鎳氧化物的制備（2）

攙雜其它金屬離子LiNi1-xMxO2，是提高鎳酸鋰性能的可行性措施。

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1、正極（4）

②鋰鎳氧化物的制備（3）

LiNi0.8Co0.2O2（鎳鈷固熔體），為層狀結(jié)構(gòu)，比容量：180至190mAh/g，循環(huán)性能好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，是最具有應用前景的正極材料。

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、正極（5）

③鋰錳氧化物（1）

LiMn204在天然界中蘊藏量比起LiCoO2和LiNiO2的含量算是相當豐富了，因此只要經(jīng)過適當?shù)奶幚肀憧梢缘玫健５话阋玫捷^純的LiMn204常以兩種方法來制備：

A、固態(tài)法：混合MnO2及鋰化合物，在適當溫度鍛燒而成

B、溶液法：將鋰鹽及錳鹽溶于水中，控制pH值使之完全溶解或形成凝膠，再利用噴霧干燥或直接鍛燒形成。

尖晶石LiMn2O4（錳酸鋰）的優(yōu)點：

A、資源豐富（約50億噸）、廉價、材料成本約為LiCoO2的1/10

B、耐過充性能及電池安全性能好

尖晶石LiMn2O4（錳酸鋰）的問題：

A、環(huán)性差（特別在45℃以上的高溫下）：錳的溶解、流失

B、比容量低：約120mAh/g

改善LiMn2O4的循環(huán)性：

① A、摻雜金屬離子如Cr、Al、Ni等--LiMn2-xMxO2

B、合成富鋰的錳鋰氧化物——Li1+δMn2-δO4

1、正極（5）

③鋰錳氧化物（2）

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1、正極（5）

③鋰錳氧化物（3）

尖晶石錳系材料雖然具有價格低廉這一優(yōu)勢，但由于比容量太低，因此在小型商品化鋰離子電池中很難獲得應用（僅NEC采用），但有可能在更注意成本及安全性考慮的動力電池中得到應用。

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正極（6）

④層狀LiMnO2

其平均嵌鋰電位：3.0V，比容量：約200mAh/g，層狀LiMnO2的循環(huán)性較差，主要原因是循環(huán)過程中，發(fā)生向尖晶石結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)相。通過摻雜其它金屬離子可以穩(wěn)定起結(jié)構(gòu)，從而提高循環(huán)性能。例如：LiMn0.95Cr0.05O2（190mAh/g），LiCoyMn（1-y）O2（y=0.1-0.3）（200mAh/g）盡管比容量較高，但嵌鋰電位偏低，其應用前景并不樂觀。

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1、正極（7）

⑤LiFepO4（1）

為橄欖石型結(jié)構(gòu)，其平均放電電壓：約3.4V，比容量：約130mAh/g（理論比容量170mAh/g），循環(huán)性能較好。突出的優(yōu)點是廉價，存在的問題是大電流放電能力差，放電電壓平臺偏低。

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正極（7）

⑤LiFepO4（2）

突出的優(yōu)點是廉價，存在的問題是大電流放電能力差，放電電壓平臺偏低。

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1、正極（7）-材料研究進展

要求：

①嵌鋰反應Gibbs自由能較負→高嵌鋰電位

②分子量小、嵌鋰量大→高比容量

③鋰的擴散系數(shù)較大→高功率密度

④嵌脫鋰過程中材料結(jié)構(gòu)變化較小→長循環(huán)壽命

⑤材料制備簡單→易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)

⑥化學穩(wěn)定性好、無毒、廉價。

、正極（8）-材料研究進展

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