锂电池材料的现状与未来发展趋势分析
来源：宝鄂实业
2019-10-14 19:42
点击量：次
锂离子的发展趋势使锂离子电池具有更高的能量密度、功率密度、更好的循环性能和可靠的安全性能。
因此，全锂离子电源的研究方向应该是这个方向。未来的材料应该是阴极材料、负极材料和电解液材料。
一。电极材料
<1>阴极材料
（1）在传统阴极材料（LiCoO 2、LiMnO 4、LiFePO 4等）的基础上，通过掺杂、包覆、调整微观结构、控制材料形貌等方法，开发出各种相关的衍生材料，以提高其比容量、比、循环性、压缩密度、电化学、化学和热稳定性。粒度分布、比表面积和杂质含量。
（2）三元材料（linixcoymn1-x-y）和富锂材料（mn基和v基）具有很大的发展和技术研究空间和广阔的应用前景。因此，镍钴锰三元材料、富锂锰基钒基材料、性能优异的复合正极材料、高效节能的聚阴离子基正极材料是未来锂离子电池正极材料的主流。开发更高效、节能的新型阴极材料来克服和替代现有缺陷也是一个研究热点。
（3）证明了一系列过渡金属氟化物、氧化物、硫化物和氮化物能够实现多电子转移和高容量。基于转化反应机理的锂离子电池电极材料的比容量是基于锂离子插层和去除机理的传统锂离子电池电极材料的2-4倍。但是，仍然有许多问题需要解决。对这类材料的研究相对较少，其作用机理也不清楚。
（4）查阅文献，有人制作了有机阴极材料，主要包括导电聚合物、硫化合物、氮氧自由基化合物和羰基化合物（具体我不太清楚，如果有希望补充的话）。
其中p1和p2是有机电极材料（小分子或聚合物），m+，a+是掺杂的正负离子，通常有li+，na+，（c4h9）4n+，cl-cicv，pf6等。p1-m+、p2+a-、pi+a-、p2-m+是掺杂的有机电极材料。
<2>阳极材料
（1）碳基材料
包括未来主要发展方向将集中在大功率石墨负极和非石墨大容量碳负极（软碳、硬碳等），以满足未来对动力和高能电池的需求。新的碳材料，如碳纳米管（CNTs）和石墨烯，具有独特的一维和二维柔性结构，优良的导热性和导电性，使其成本向高能量密度、高循环特性和低成本方向发展。
（2）非碳材料
lto可以类似于碳基材料，如fe、ge、sn、si等金属或半导体材料。这是当前研究的热点。重点研究了涂层、表面改性、纳米结晶和复合等方向，以减小其体积膨胀，形成稳定的sei薄膜。这种金属材料，特别是硅的比容量很高。它应该是下一代锂离子电池的理想正极材料，但它的体积。扩容和地震不稳定问题至今没有得到很好的解决，在一定程度上制约了其发展。尤其是体积能量密度相对于石墨阳极的优势远不如理论计算。因此，在应用上并不是绝对优势。最后，锂电池的负极材料很可能回到锂元素本身。金属锂可以给锂电池充放电。新型电池，如固态锂电池、锂硫电池和锂空气电池，正在被广泛研究。
2.电解液材料
主要是改善电解液的电压窗口，降低成本，电解液的应用温度范围，提高固体电解液的离子电导率，控制稳定sei膜的形成。
<1>液体电解质：
目前，由于lipf6/ec:dmc电解液体系的工作温度范围为-20-50℃，通常采用lipf6、ec和一种或多种线性碳酸盐作为溶剂，通过添加不同的添加剂、使用不同的溶剂、更换不同的锂盐来测试各种类型和场合。离子液体具有温度范围宽、蒸气压低、电化学性能好、电化学性能稳定等优点，但价格昂贵。
<2>凝胶电解质常用的凝胶型聚合物电解质基体有：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。凝胶型聚合物电解质对环境的污染小，使用的安全性能更好，在电池市场中倍受青睐。近几年，发展的趋势是通过纳米粒子（常用的无机填料有SiO2、Al2O3）改性共聚或共混等手段，得到有较高孔隙率较低电阻较高抗撕裂强度较好抗酸碱能力和良好弹性的电解质膜。
<3>固态电解质
固体电解质一般又称为快离子导体，要求具有较高的离子导电性、低的电子导电性和低活化能。说实话，我觉得固态电解质应该是锂离子电解质的终极BOSS，其提出就是要解决现阶段锂离子电解质的所有问题，所以发展目标就是从根本上解决目前所使用的锂离子电池安全性问题，提高能量密度、循环性、服役寿命、降低电池成本等等。
3.发展与展望
当解决了金属锂枝晶和安全上的一些问题时，锂金属很可能成为锂电池的最终负极材料。下图是一篇文献中从理论计算的角度上对于锂电池的发展规划，由锂离子电池向锂金属电池，再到锂燃料电池的转化。
<2> 以金属锂为负极的可充放锂电池。氟化石墨（CF）n 的工作电压在 2.9 V，储锂容量为 800 mAh/g，Li/（CF） n 电池具有较高的质量能量密度，但是目前还无法循环。其它锂电池，如Li/FeF3、Li/MnO2、Li/FeS2 电池循环性、安全性等综合性能还不能全面满足应用的要求。
预计首先实现的有可能是以金属锂为负极，采用现有锂离子电池正极材料的可充放锂电池。
<3>最终发展的高能量密度电池应该是以金属锂为负极，O2、H2O、CO2、S 为正极的可充放锂电池，。
