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三元正极材料之为什么非要是三元?

日期:2018-12-25    来源:粉体网

国际充换电网

2018
12/25
16:05
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关键词: 三元正极材料 锂电池 镍酸锂

  在三元材料出现之前,已经有了钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂等正极材料。这些材料存在多多少少的问题,为了改善这些材料的性能,研究者们尝试向其中加入其他物质,三元正极材料应运而生。
 
  钴酸锂:具有理论比容量高、循环性能优异、放电平台平稳、工作电压高和合成工艺相对简单等优点,但是钴因价格较高、抗过充能力较差和污染较大等缺点制约了它的发展。
 
  镍酸锂:虽然具有比容量较大的优点,但易生成非化学计量比的产物导致结构、热稳定性较差。
 
  锰酸锂:锰具有资源丰富、价格便宜、安全性能高和环境友好等优点,这使得作为正极材料的锰酸锂具有良好的应用前景。锰酸锂有尖石结构的LiMn2O4及层状结构的LiMnO2这两种结构,其中层状LiMnO2材料的比容量较大,但存在结构不稳定的特点;尖晶石结构LiMn2O4具有价格低廉、安全性能优异、对环境友好、充放电电压高的优点,但存在高温下容量衰减较严重、比容量较低等缺点。
 
  三元材料的协同作用
 
  在三元材料中,过渡元素Ni、Co、Mn在3b位置无序排列,具有明显的三元协同效应,可以结合单一组分优点提高材料的整体性能,具有能量密度高、成本低、环境友好、市场前景与发展潜力较好的优势。
 
  首先,Ni的存在有助于提高电池容量,但是Ni2+的半径(0.069nm)与Li+的半径(0.076nm)接近,所以Li+易与Ni2+混排造成锂析出,导致材料的循环性能变差。
 
  掺入Co3+能够抑制Li+与Ni2+混排,有利于材料层状结构的稳定从而提高充放电容量及深度放电能力,并可对材料表面的氧化起到抑制作用,提高锂离子的脱嵌速度及高倍率放电性能。
 
  Mn4+在材料充放电过程中不参与氧化-还原反应,整个电化学过程中保持良好的惰性,提高了材料结构的稳定性及材料的安全性能,但含量过高会使容量降低,破坏材料的层状结构。
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