高電壓鋰離子電池主要材料及工藝進展現狀

　　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構和性質所決定的，其中正極材料是最關鍵的核心材料，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用現狀。

　　1.高壓鈷酸鋰材料的研究現狀

　　目前研究和應用最廣泛的高電壓正極材料是鈷酸鋰，它具有二維層狀結構，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，其具有生產工藝簡單且電化學性質穩定等優點，因此市場占有率較高。鈷酸鋰材料在實際應用中只有部分的鋰離子能夠可逆的進行嵌入和脫出，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構從三方晶系到單斜晶系發生轉變，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生松動并從集流體上脫落，導致電池的內阻變大，電化學性能變差。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構穩定性和界面穩定性進行提升。

　　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手機電池廠家對電池性能的要求越來越高，其中主要體現在對能量密度的更高要求，例如以碳作為負極的4.35V手機電池能量密度要求在660Wh/L左右，4.4V手機電池已達到740Wh/L左右，這就要求正極材料具有更高的壓實密度、更高的空量發揮，以及在高壓實和高電壓下的材料結構具有更好的的穩定性。但鈷酸鋰電極材料存在鈷資源匱乏且價格昂貴等缺點，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，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載或電源，測量電池正負極之間的電位差，此即為電池的開路電壓。

　　工作電壓，就是電池外接負載或電源，處在工作狀態，有電流流過時，測量所得的正負極之間的電位差。一般來說，由于電池內阻的存在，放電狀態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，是指電池允許達到的高和低工作電壓。超過了這一限值，會對電池產生一些不可逆的損害，導致電池性能的降低，嚴重時甚至造成起火、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關系。

　　表述鋰離子電池儲能大小的參數是能量密度，在數值上大約相當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到目的。但是，限于所用原材料的性質，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構性質決定的。

　　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μA為負極材料的相對電化學勢，μC為正極材料的相對電化學勢，電解液電勢區間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。