高電壓鋰離子電池主要材料及工藝進(jìn)展現(xiàn)狀

　　高電壓鋰離子電池的性能主要是由活性材料和電解液的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)所決定的，其中正極材料是最關(guān)鍵的核心材料，電解液的匹配作用也十分重要。以下主要分析目前高電壓正極材料的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。

　　1.高壓鈷酸鋰材料的研究現(xiàn)狀

　　目前研究和應(yīng)用最廣泛的高電壓正極材料是鈷酸鋰，它具有二維層狀結(jié)構(gòu)，α-NaFeO2型，更適合于鋰離子的嵌入和脫出。鈷酸鋰的理論能量密度274mAh/g，其具有生產(chǎn)工藝簡單且電化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此市場占有率較高。鈷酸鋰材料在實際應(yīng)用中只有部分的鋰離子能夠可逆的進(jìn)行嵌入和脫出，其實際能量密度大約為167mAh/g（工作電壓為4.35V）。提升其工作電壓可以顯著提高其能量密度，例如將工作電壓由4.2V提升至4.35V其能量密度可以增加16%左右。但是在高電壓下鋰離子多次從材料中嵌入和脫出會使鈷酸鋰的結(jié)構(gòu)從三方晶系到單斜晶系發(fā)生轉(zhuǎn)變，此時鈷酸鋰材料不再具有嵌入和脫出鋰離子的能力，同時正極材料的顆粒發(fā)生松動并從集流體上脫落，導(dǎo)致電池的內(nèi)阻變大，電化學(xué)性能變差。目前鈷酸鋰正極材料的改性，主要還是從摻雜和bao覆2個方面對材料的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和界面穩(wěn)定性進(jìn)行提升。

　　目前鈷酸鋰高電壓材料在高能量密度電池中已批量使用，如gd手機(jī)電池廠家對電池性能的要求越來越高，其中主要體現(xiàn)在對能量密度的更高要求，例如以碳作為負(fù)極的4.35V手機(jī)電池能量密度要求在660Wh/L左右，4.4V手機(jī)電池已達(dá)到740Wh/L左右，這就要求正極材料具有更高的壓實密度、更高的空量發(fā)揮，以及在高壓實和高電壓下的材料結(jié)構(gòu)具有更好的的穩(wěn)定性。但鈷酸鋰電極材料存在鈷資源匱乏且價格昂貴等缺點(diǎn)，此外鈷離子具有一定的毒性，這些缺陷限制了其在動力電池中的廣泛應(yīng)用。

　　鋰離子電池的電壓，有開路電壓、工作電壓、充電截止電壓、放電截止電壓等一些參數(shù)，本文不再分開一一論述，而是集中做個解釋。

　　開路電壓，顧名思義，就是電池外部不接任何負(fù)載或電源，測量電池正負(fù)極之間的電位差，此即為電池的開路電壓。

　　工作電壓，就是電池外接負(fù)載或電源，處在工作狀態(tài)，有電流流過時，測量所得的正負(fù)極之間的電位差。一般來說，由于電池內(nèi)阻的存在，放電狀態(tài)時的工作電壓低于開路電壓，充電時的工作電壓高于開路電壓。

　　充/放電截止電壓，是指電池允許達(dá)到的高和低工作電壓。超過了這一限值，會對電池產(chǎn)生一些不可逆的損害，導(dǎo)致電池性能的降低，嚴(yán)重時甚至造成起火、等安全事故。

　　電池的開路電壓和工作電壓，與電池的容量存在一定的對應(yīng)關(guān)系。

　　表述鋰離子電池儲能大小的參數(shù)是能量密度，在數(shù)值上大約相當(dāng)于電壓與鋰電池容量的乘積，為了有效提高鋰電池的儲電量，人們一般會用增加電池容量的方法達(dá)到目的。但是，限于所用原材料的性質(zhì)，容量提升總是有限度的，于是提高電壓值成為提升鋰電池儲電能力的另一條途徑。大家知道，鋰電池標(biāo)稱電壓是3.6V或3.7V，高電壓是4.2V。那么，鋰電池的電壓什為什么不能獲得更大的突破呢？說到底，這也是由鋰電池的材料及結(jié)構(gòu)性質(zhì)決定的。

　　鋰電池的電壓是由電極電勢決定的。電壓也稱作電勢差或電位差，是衡量電荷在靜電場中由于電勢不同所產(chǎn)生的能量差的物理量。鋰離子的電極電勢約是3V，鋰電池的電壓隨材料不同而有變化。如，一般的鋰離子電池額定電壓為3.7V，滿電電壓為4.2V；而磷酸鐵鋰電池額定電壓為3.2V，滿電電壓為3.65V。換句話說，實用中的鋰離子電池正極和負(fù)極之間的電勢差不能超過4.2V，這是一種基于材料和使用安全性的需要。

　　假如以Li/Li+電極為參照電位，設(shè)μA為負(fù)極材料的相對電化學(xué)勢，μC為正極材料的相對電化學(xué)勢，電解液電勢區(qū)間Eg為電解液低電子未占有能級和高電子占有能級之差。那么，決定鋰電池高電壓值的就是μA、μC、Eg這三個因素。