文献综述
现如今,社会日益繁荣,与此同时,对能源的消耗也逐渐扩大,人类将面临化石能源危机,寻找可持续可再生能源成为了现在科学家科研研究的重点方向。但是,可再生能源属于间歇性能源,不能按需获取,且极其不稳定,经常变化无法控制,若要大规模利用这些能源,就必须配套合适的能量存储器件,从而持续输出稳定的能量【1】。从1990年以来,锂离子电池(LIBs)的出现成为解决这一大问题的理想选择,LIBs在当今的电气技术中变得越来越重要,因为它们可以储存和释放可持续的电力[2-1]。虽然LIBs有许多优点,如没有记忆效应和寿命长,低存储容量和慢充放电显著降低了它们的性能,限制了它们的应用。因此,寻找高容量、高倍率充放电过程的可替代阳极材料已成为LIBs领域最受关注的问题[2-2]。
LIBs国内外同类研究概况:
按照时间进程,锂离子电池的发展可以分为以下阶段:
锂离子电池产生阶段(1950 —1980 年):1975年,三洋公司开发了Li/MnO2电池,随后锂二次电池开始量产。在充放电过程中,作为负极的金属锂容易产生枝晶造成电池短路,引起爆炸等安全性问题,因此早期锂离子电池发展缓慢。
1980年, Armand提出以可嵌入式材料替代金属锂作为电池负极材料,体系中锂离子可往返嵌入脱出,称为“摇椅电池”。这避免了锂枝晶所引发的安全问题。紧接Goodenough教授报道了层状结构材料LiCoO2,层间可以供锂离子嵌入脱出。
锂离子电池快速发展阶段(1980—2000 年):1990年,SONY公司最早开发了商业化的锂离子电池,使用LiCoO2作为正极材料和碳作为负极材料,极大地推动了锂离子电池商业化的进程。
锂离子电池发展的新阶段(2000年至今):目前正极材料研究较多的有尖晶石结构材料、层状结构材料、富锂材料和聚阴离子材料;负极材料研究较多的有碳基材料、硅基材料、锡基材料和钛酸锂等。此外,锂-硫电池、锂-空气电池的深入研究取得发展。当前的锂离子电池正极材料主要由过渡金属的嵌锂化合物组成,根据锂离子“脱嵌/嵌入”路径方式的不同,大致可以分为一维隧道结构正极材料(如LiFePO4等)、二维层状结构正极材料(如LiCoO2等)和三维框架结构正极材料(如LiMn2O4等)。一维隧道结构正极材料主要是安全性好,但其导电率低,高倍率放电性能差。三维框架结构正极材料的主要特点是高倍率充放电性能好,比容量较大,但是循环稳定性较差,衰减较为严重。已经广泛商业化的二维层状结构正极材料LiMnO2在电化学性能方面比较优越,缺点是热稳定性能较差。
2009年层状Graphene材料作为LIBs,扩散能垒~0.3eV,比容量达372mAh/g,但其开路电压很低,无法提供更高的充电电压。
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