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目前,锂离子电池正朝着高能量密度、高安全性、高电化学性能方向发展。锂离子电池性能的改善,很大程度上取决于电池材料性能的改善,主要集中在电极材料、电解液、隔膜和相关工艺的研究上[4]。目前研究比较广泛的正极材料有LiCOO2,LiNiO2,LiMnO4以及LiFePO4等,负极材料主要有碳类材料、硅基材料、锡基材料、合金类及过渡金属氧化物等。但是这些材料依然存在着许多不足之处,难以达到动力型锂离子电池的要求。因此,探寻改善这些材料性能的方法是研究工作的重中之重,尤其是正极材料在电池中占有较大的比例(正、负极材料的质量比为3:l～4:1),正极材料直接决定锂离子电池的性能,所以研究锂离子电池正极材料有着重要的现实意义[5-6]。
在锂离子电池正极材料中,LiFePO4材料具有便宜、无毒、不吸潮、环境相容性好、矿藏丰富、比容量较高(理论容量为170mAh/g,能量密度为550Wh/kg)、稳定性好等特点,是一种颇具潜力的正极替代材料,受到各国科研工作者的普遍关注。但是目前也存在很多缺点,比如LiFePO4电导率低、锂离子扩散速度小、充放电电流密度小以及充放电时间长的问题.目前这种电极材料的制备方法最常用的为固相合成法,由于该合成方法存在合成温度较高,粒径分布大,颗粒粗大等缺点,而不能完全解决材料固有的局限性[7]。
1.1.2 锂离子电池的研究现状及发展前景
锂离子电池已经在日常生活中得到广泛的应用,比如笔记本电脑、个人通讯设备和电动交通工具等,这些应用改变了人们的生活品质,但节约能源和保护环境的压力使得我们必须继续发掘锂离子电池的功能[8]。锂离子电池的大型化、实用化要求越来越高,属于锂离子动力与储能电池的时代已经到来。从图1.1可知,锂离子动力电池能源与太阳能、风能等其它清洁能源组合一起形成智能电网是目前的巨大挑战,必将再次大幅度改写人类的生活。
图1.1 锂离子电池发展趋势图
1.1.3 锂离子电池的特点
电池按工作性质可以分为一次电池和二次电池。一次电池是指不可以循环使用的电池,如碱锰电池、锌锰电池等。二次电池指可以多次充放电、循环使用的电池,如商业化应用的铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂电池。锂离子电池与其他蓄电池相比,主要具有以下优良特性[9]:
(1)电压高:典型的开路电压通常为3.6V,是镍氢和镍镉电池的开路电压的三倍；
(2)比能量高:能量高、储存能量密度大,是锂电池的核心优势,其体积能量密度比和质量能量密度比分别可达450Wh dm-3 和150Wh kg-1,是铅酸蓄电池的三倍以上。以同样输出功率而言,锂离子电池的重量不到镍氢电池的一半,体积也要小20%；
(3)寿命长:动力型锂离子电池的循环寿命一般在800次以上,储能型锂离子电池如磷酸铁锂的循环次数可达2000次左右,大大高于铅酸蓄电池的使用寿命；
(4)自放电率低:锂离子电池的充电速度较快,仅需要1~2小时(h)的时间就可充电,达到最佳状态；同时,锂离子电池的漏电量极少,即使随意放置1~2周后再拿出来用时,一样能发挥电力、照常工作；锂离子电池的自放电率低,小于8%/月,远低于镍镉电池的30%和镍氢电池的40%；
(5)无记忆效应:没有Ni-Cd电池一样的记忆效应。锂离子电池可以在未完全放电的条件下充电而不会降低其容量；
(6)倍率性能好:电池放电倍率可达10C以上,特殊制作可达30C,非常有利于电动车和动力型助推设备技术的发展；
(7)工作环境温度范围宽:一般可在-30到+60oC 之间工作,具有良好的高温和低温工作性能,特别是在-20oC 条件下,仍能够放出90％的容量；
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