关于锂离子电池复合电极材料的研究

摘 要 随着科技的发展，人们对锂离子电池的安全性、成本和寿命等提出了更高的要求。传统的锂离子电池体系已经无法满足这些要求，直接生长在集流体上的纳米氧化物电极材料引起了人们的重视。该方法避免了使用导电乙炔黑、黏结剂等辅助材料，制备方法简单，活性材料与集流体直接接触，为锂离子的传输提供了通道。

关键词 集流体;纳米材料;锂离子电池

引言

近年来，随着电子科技的迅速发展，混合电动汽车等动力设备的逐渐普及，人们对电池的要求也越来越高。其中锂离子电池因具有自放电率低、循环寿命长、安全性高、对环境友好等优点而受到广泛关注。锂离子电池应用的关键条件是研发新的高性能、大功率锂离子电池电极材料，本文主要对集流体上直接生长纳米活性电极材料的复合电极进行概述。

1锂离子电池概述

锂离子电池的电极材料因为与金属锂发生可逆的嵌入反应而进行工作。在充电过程中，金属锂在外场的作用下失去電子，从正极活性物质LiCoO2的晶格中脱出来，通过电解液和隔膜，嵌入到负极材料中。充电结束后，正极形成CoO2相，负极的石墨呈富锂态。在放电过程中，锂离子得到电子，从负极材料中脱出，经过电解液重新嵌入正极材料中。放电结束后，正极材料被还原成LiCoO2，负极的石墨呈贫锂态。锂离子电池主要包括正极材料、负极材料、电解质、隔膜和集流体等[1]。

2锂离子电池正极材料

从锂离子电池的结构特点可以看出正极材料是锂离子电池的重要组成部分，相比于负极材料，其比容量较低，研究较为滞后[2]，所以我们要改善正极材料，提高锂离子电池性能，正极材料应满足以下条件：正极材料应能允许大量可逆的嵌入和脱出Li十，以得到高的可逆容量;基体结构应具有较小的分子量和摩尔体积，以获得较高的质量能量密度和体积能量密度;在整个电化学过程中，Li+的嵌入和脱出应该可逆，且主体结构没有发生变化或者发生微量变化;具有较好的电子电导率和离子电导率，减少极化，提高电池充放电的电流密度;制备工艺简单，成本低，对环境污染小。

3锂离子电池负极材料

最初锂离子电池的负极材料是金属锂，但存在枝晶化问题，造成安全隐患。后来由锂合金电极代替，但是在充放电过程中，电极材料会粉化，循环性能降低[3]。直到碳材料的应用，负极材料的安全问题才得以解决。理想的负极材料应满足以下条件：自由能在锂化反应中是变小的;Li嵌脱的过程中，结构稳定性好，以获得较高的循环寿命;反应高度可逆，容量大，能量密度高;e-和Li+的运输阻抗要低，以提高充放电倍率;锂离子在固态结构中有较高的扩散率;热力学性质稳定，化学稳定性好，不与电解质发生反应，以提高电池的安全性、循环性，降低自放电率;资源丰富，制备工艺简单，制造及使用成本低，环境友好。

4集流体的设计

锂离子电池材料因工作电压高、自放电率低、安全性能高等优点，被认为是最有发展潜力的二次电池。然而，电解液向电极材料的渗透，锂离子嵌入脱出速率低，单位面积电极对活性材料的承载量低等缺点限制了锂离子电池的发展。为了避免上述缺点，提高锂离子的性能，包括纳米线、纳米带、纳米片、纳米管等在内的纳米级别的电极材料被应用于锂离子电池。

而另外一种更有效提高锂离子电池性能的方法是在集流体上直接生长纳米活性电极材料。用热溶剂法在钛箔上合成纳米四氧化三钴阵列，比容量高达788.7mAh·g-1，达到理论比容量的88.6%。在碳布上直接生长Co3O4纳米线作为负极材料，稳定放电比容量可以达到1000mAh·g-1。不仅具有良好的电化学性能，而且可以用于制造柔性电极，应用前景广泛。在特殊纳米结构的金属镍基底上生长片状MnO2，形成三维复合电极。该复合电极在369mAh·g-1的电流密度下，比容量可高达1142mAh·g-1，表现出了良好的可逆循环性能。用水热法在钛箔上合成3D结构花状微米级FeF3·0.33H2O阵列，在10C的倍率下循环，仍然可以达到101mAh·g-1的高比容量。用PVD法在铝箔上沉积出V2O5纳米带，首次放电比容量可以达到0.25mAh·cm-2，但是该方法工艺复杂，温度高，能量消耗大。在不锈钢网上生长V2O5纳米线，但是比容量在50个循环后急剧下降，最后采用Ppy包覆，性能得以改善，100个循环以后仍然可以达到81.5m A h·g-1。

5结束语

这种纳米级别的活性材料直接生长在集流体上的复合电极材料具有以下优势：

①活性材料与集流体有良好的接触，结合牢固，降低了电极内阻。②增大电极的比表面积，使活性材料与电解液充分接触。③缩短了锂离子扩散距离，提高了电子的传输速率，改善了电极的循环性能。④不需要添加黏结剂和炭黑等辅助材料，使电极制备过程简单方便。

因此，采用在金属极片（集流体）上直接生长纳米结构钒氧化物电极材料，以提高锂离子电池性能。

参考文献

[1] Dunn B，Kamath H，Tarascon J M . Electrical Energy Storage for the Grid： A Battery of Choices[J]. Science，2011，334（6058）：928-935.

[2] 杨新，刘学武，刘贵昌，等.锂离子电池正极材料LiMnPO₄/C的合成研究[J].电化学，2011（3）：306-311.

[3] 马荣骏.锂离子电池负极材料的研究及应用进展[J].有色金属，2008（60）：38-45.

作者简介

陈静（1992-），学历：硕士，专利审查员，现就职单位：国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心，研究方向：锂离子电池材料。