基于新的结构原理的高比容量新材料及层状复合氧化物材料的研究

近几年来，正极材料的研究和开发开始转向一些基于新的结构原理的高比容量新材料：橄榄石结构的LiFeP04和层状的复合氧化物材料Li[Li(1-2x)／3NixMn(2-x／3]O2。LiFePO2的主要优点是比容量高、价格低廉、热稳定性非常好。其理论比容量为170mAh·g，实际比容量可达150～160mAh·g。存在的主要问题是电导率很低、放电电压平台低(相对于金属锂约3.4V)、材料堆积密度低。尽管LiFePO2具有高出LiCoOzl0％～15％的质量比容量，但其放电电压较后者低约1／9，使得两者的质量比能量几乎一致。而LiFePO2的理论堆积密度仅为3.6g·cm，较LiCoO2(5.19·cm-3)低得多，导致其体积比能量较LiCoO2有十分明显的下降。这种情况决定了LiFeP04不可能替代LiCoO2作为高容量小型电池的正极材料。但其廉价、安全、无污染的优势使之有望在动力型锂离子电池中获得应用。
层状的复合氧化物材料Li[Li0.2Ni0.2Mn0.5]O2具有非常高的嵌锂容量。在3.5～4.5V、3.5～4.8V(相对于金属锂)范围内，其可逆容量可分别达到150mAh·g、190mAh·g-1以上。阻碍这类材料应用的因素主要来自两个方面：①工作电压过高，现有电解质溶液稳定性难以满足如此高电位要求；②材料的堆积密度非常低，导致材料体积比能量低。由此看来，迄今为止，尚没有一种正极材料同时满足低成本、高安全性及高比能量要求，从而导致LiCoOz材料在商品化锂离子电池中一枝独秀。应该说在锂离子电池的十余年发展过程中，正极材料的发展相对缓慢，并已严重阻碍了这一体系的发展进程。