什么是鋰離子電池?如何選擇鋰離子電池的電極材料?鋰離子電池在使用的過程中,，能夠進行二次充電,，屬于一種二次可充電電池，主要工作原理為鋰離子在正負極之間的反復(fù)移動,，無論電池的形狀如何,，其主要組成部分都為電解液、正極片,、負極片以及隔膜,。目前，國際上鋰離子電池的生產(chǎn)地主要集中在中國,、日本和韓國,，主要的鋰離子應(yīng)用市場為手機和電腦。隨著鋰離子電池的不斷發(fā)展,，應(yīng)用領(lǐng)域也在逐漸的擴大,，其在正極材料的使用方面已經(jīng)由單一化向多元化的方向轉(zhuǎn)變，其中包括：橄欖石型磷酸亞鐵鋰,、層狀鈷酸鋰,、尖晶石型錳酸鋰等等，實現(xiàn)多種材料的并存,。
從技術(shù)發(fā)展方面能夠看出,，在日后的發(fā)展中還會產(chǎn)生更多新型的正極材料。對于動力電池的正極材料來說,，其在成本費用,、安全性能、循環(huán)能力以及能量密度等多個方面都具有較為嚴格的要求,。在應(yīng)用材料領(lǐng)域中,，由于鈷酸鋰的費用較高、安全性較低,，因此在具體的使用中通常適用于普通消費類電池,，難以符合動力電池的相關(guān)要求。而上述列舉的其他材料均已在目前的動力電池中得到了充分的利用,。在鋰離子電池材料中,，負極材料屬于重要的組成部分，能夠?qū)φw電池的性能產(chǎn)生較大影響,。目前,，負極材料主要被劃分為兩個類別,，一種為商業(yè)化應(yīng)用的碳材料，例如天然石墨,、軟碳等,，另一類為正處于研發(fā)狀態(tài)，但是市場前景一片大好的非碳負極材料,，例如硅基材料,、合金材料、錫金材料等等,。
1碳負極材料：此種類型的材料無論是能量密度,、循環(huán)能力，還是成本投入等方面,，其都處于表現(xiàn)均衡的負極材料,，同時也是促進鋰離子電池誕生的主要材料，碳材料可以被劃分為兩大類別,，即石墨化碳材料以及硬碳,。其中，前者主要包括人造石墨以及天然石墨,。人造石墨的形成過程為：在2500℃以上的溫度中,，將軟碳材料進行石墨化處理之后得到，MCMB屬于人造石墨中比較常用的一種,，其結(jié)構(gòu)為球形，表面質(zhì)地較為光滑,，直徑大約為5-40μm,。由于受其表面光滑程度影響，使電極表面以及電解液之間發(fā)生反應(yīng)的幾率降低,，進而降低了不可逆容量。
同時,，球形結(jié)構(gòu)能夠方便鋰離子在任何方向進行嵌入和脫出活動,，對保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定具有較大的促進作用。天然石墨也具有諸多優(yōu)勢,，其結(jié)晶度較高,、可嵌入的位置較多，并且價格較低,，是較為理想的鋰離子電池材料。但其也存在一定的弊端,，例如在與電解液反應(yīng)時,，相容性較差，在進行粉碎時表面存在諸多缺陷等,，這都將對其充電或放電的性能產(chǎn)生較大的不利影響。
此外,，硬碳的形成過程為：在2500℃的狀態(tài)下,，難以實施石墨化的碳材料，其主要為高分子化合物的熱解碳,，通過高倍顯微鏡能夠看出，其是由許多納米小球堆積而成,，整體呈現(xiàn)出花團簇狀,，具體如圖1所示。在其表面具有大量納米孔的無定形區(qū)域,，在容量方面遠遠超過石墨的標準容量,，進而對循環(huán)能力產(chǎn)生較大的不利影響。
2硅負極材料：由于硅物質(zhì)的儲存量較為豐富,，且價格較為低廉,，因此將其作為新型負極材料應(yīng)用到鋰離子電池中十分理想。但是,，由于硅屬于半導(dǎo)體,，電導(dǎo)率較差，并且在嵌入的過程中將會使體積膨脹成以往的數(shù)倍,，最高膨脹度能夠達到370%,，這將導(dǎo)致活性硅粉化和脫落，難以與電子進行充分的接觸,，進而使得容量迅速縮減,。要想使硅在鋰離子電池材料中得到良好的應(yīng)用，使其在充電或者放電的過程中,，能夠?qū)ζ潴w積進行有效的控制,，進而使其容量和循環(huán)能力得到極大的保障，可以采用以下幾種方式來實現(xiàn),，第一，使用納米尺寸的硅,。第二,，將硅與非活性基體、活性基體、粘接劑相結(jié)合,。第三,，利用硅薄膜，其已經(jīng)被視為是下一代最為適用的商用負極材料,。
3 鋰離子電池正極材料
鈷酸鋰作為正極材料,，被應(yīng)用的時間最早，并且直至目前仍然屬于消費電子產(chǎn)品中居于主流的正極材料,。鈷酸鋰與其他正極材料相比較能夠看出,，其工作過程中電壓較高，充電或者放電時電壓運行較為平穩(wěn),，能夠符合大電流的要求，具有較強的循環(huán)性能,，電導(dǎo)效率較高,，材料以及電池等工藝較為穩(wěn)定。但是其也存在許多缺點,，例如資源較為短缺,，價格較貴,，鈷含有毒性,，使用時具有一定的危險,，并且會對環(huán)境產(chǎn)生不良影響,。尤其是其安全性不能得到切實的保障，這將成為制約其廣泛發(fā)展的重要因素,。
在對其進行的研究中,，以Al3+、Mg2+,、Ni2+等金屬陽離子摻雜最為廣泛,，隨著科研的不斷推進，目前采用Al3+與Mg2+等金屬陽離子摻雜形式更是已開始投入使用,。在鈷酸鋰的制備方面，主要包括兩種方法,，即固相合成法以及液相合成法,。在工業(yè)中普遍使用的是高溫固相合成法，它主要利用鋰鹽,，例如Li2CO3或LiOH等，與鈷鹽如CoCO3等，按照1:1的比例進行融合,，并且在600℃至900℃高溫的狀態(tài)下進行煅燒而形成,。目前市場中對鈷酸鋰材料的應(yīng)用主要為二次電池市場當中，并且也成為小型高密度鋰離子電池材料的最佳選擇,。
三元正極材料具有較為顯著的三元協(xié)同效應(yīng),，其與鈷酸鋰相比較能夠看出,，在熱穩(wěn)定性方面存在較大的優(yōu)勢，并且生產(chǎn)成本較為低廉,，能夠成為鈷酸鋰最佳代替材料,。但是其密度較低,、循環(huán)性能方面也有待提高,。對此，可以采用改進合成工藝以及離子摻雜等進行調(diào)整,。三元材料主要應(yīng)用于鋼殼,、鋁殼等圓柱形鋰離子電池當中，但在軟包電池中由于受到膨脹因素影響,，使其的應(yīng)用受到較大限制,。在未來的應(yīng)用中，其發(fā)展方向主要有兩個方面：第一,，向著高錳方向,，主要在藍牙、手機等小型便攜式設(shè)備方面發(fā)展,。第二,，向著高鎳方向，主要在電動自行車,、電動汽車等對能量密度需求較高的領(lǐng)域中進行應(yīng)用,。
磷酸亞鐵鋰在充電和放電方面具有良好的循環(huán)性能以及熱穩(wěn)定性，在使用過程中具有較強的安全保障,，并且該材料綠色環(huán)保,，不會對環(huán)境造成嚴重的損害，同時價格也較為低廉,，被我國電池工業(yè)認為是進行大型電池模塊生產(chǎn)的最佳材料,。目前的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：電動汽車、便攜式移動充電電源等,，在未來發(fā)展中將會朝著儲能電源,、便攜式電源方向深入發(fā)展。
錳酸鋰在應(yīng)用中具有較強的安全性以及抗過充性，由于我國錳資源較為豐富,，因此價格較為低廉,，對環(huán)境的污染較小，無毒無害,，工業(yè)制備操作較為簡便,。但是其在充電或者放電過程中，由于尖晶石結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,，容易產(chǎn)生Jahn-Teller效應(yīng),，再加上高溫狀態(tài)下錳的溶解，容易縮減電池容量,，因此其應(yīng)用也受到了較大的限制,。目前，錳酸鋰的應(yīng)用范圍主要是小型電池,，例如手機,、數(shù)碼產(chǎn)品等，在動力電池方面與磷酸鐵鋰能夠互為替代,，因此產(chǎn)生了強烈的競爭,，其發(fā)展方向?qū)蛑吣芰俊⒏呙芏?、低成本的趨勢發(fā)展,。
鋰離子電池產(chǎn)品呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,，智能手機,、電腦等產(chǎn)品得到廣泛的應(yīng)用,，這將使得對鋰離子電池的需求量變大,，為其帶來較大的發(fā)展機遇,。同時，車載鋰離子以及儲能電源等也逐漸得到發(fā)展,，為鋰離子電池提供了新的增長點,。由此可見，在未來的發(fā)展中,，必會加強對此方面的研究力度,，使鋰離子電池的作用發(fā)揮到更大，這也將帶動其電池材料不斷得到更新?lián)Q代,。以上就是鋰離子電池的電極材料的選擇方法,，希望能給大家?guī)椭?/p>