1.1 本课题研究内容

电池是人类发展过程中一个重要的研究内容。由于电子设备的发展倾向于更轻、更小、更高性能的特点。人们需要一种符合要求的电池。金属锂因为其原子质量最小（6.94），而且标准电极电位最负（-3.045V）。以此制备的电池有电压高（3V以上），比容量高（3860mAh/g）的特性。但是由于金属锂性质活泼，其表面容易钝化，导致其化学活性不均匀。在充放电过程中沉积不均匀，可能形成锂枝晶。导致充电效率变低，循环困难。另外，锂的比表面积大，活性高，易剧烈反应，如果锂枝晶刺穿电解质薄膜可能导致短路甚至是爆炸。使得金属锂二次电池的安全性低。索尼公司在之后推出以炭为材料负极，以LiCO2为材料正极，在充放电过程中，没有金属锂的存在，只有锂离子在正负极的脱嵌和嵌入。一方面提高了能量密度和循环寿命，另一方面也使得安全性有很大的提高。

锂离子电池有一下优点：工作电压高，可达到传统干电池的两倍多；能量密度高，为传统电池的2~5倍；输出功率大，电池的体积和重量都能相应的降低；平均输出电压高；自放电小，碳负极表面的电解质隔膜会允许离子通过，阻止电子通过；循环寿命长，可达到1000次以上，安全性高，锂离子电池不含金属锂，锂离子活性比较稳定；充电效率高；工作温度范围广，具有优良的高低温放电性能，为-20~60摄氏度；毒性很小，密封性能好，环境友好，为绿色能源。

1.2 锂离子电池的工作原理

图1-1   锂离子电池的工作原理

充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态，正极处于贫锂状态；放电时Li+从负极化合物中脱嵌，经过电解质再嵌入正极，正极处于富锂状态，负极处于贫锂状态。因此，由于这种通过锂离子通过正负极转移而完成充放电的特性，锂离子电池又被称为“摇椅电池”。

一般采用含锂的金属氧化物作为正极活性物质，负极则选择点位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物。

1.3 锂离子电池正极材料

锂离子电池由正极材料，负极材料和电解质三个主要部分组成。正极材料和负极材料直接决定了电池的性能和价格。锂离子电池的容量主要取决于正负极材料参与反应的锂离子的数量的多少，而电池的寿命取决于正负极材料层状结构的稳定性。因此，寻找性能优良的正负极材料是提高锂离子电池工作和使用性能的最关键部分。

对于正负极材料，需要利于提高电池性能的特征：锂离子在反应中需要较大的可逆吉布斯自由能，保证较高的化学容量；锂离子需要在材料中有很大的扩散系数，保证充放电效率；正负极材料的结构在工作以及充电电压范围内需要保持好的稳定性；放电的电压平稳性要好[1]。

1.3.1 钴酸锂

钴酸锂是非常成熟的正极材料产品，在目前市场上保持主导地位。以锰酸锂在3.00~4.35V的电压范围内进行可逆充放电的容量可达到118mAh/g左右。循环200次的平均衰减率只有0.05%[2]。此材料作为正极材料制备的锂离子电池有放点电压高，可逆性好，性能稳定，便于合成的特点。但是抗过充性能差，会导致大量Li+脱出，晶体结构坍塌，容量衰减。严重过充会放出氧气，放出大量的热甚至爆炸。高温性能和安全性能都不好，另外，钴的价格高，毒性大。对于批量生产有严重的制约[3-4]。

1.3.2  镍酸锂

LiNiO2与LiCoO2结构相似，但镍储量丰富、价格较便宜，而且自放电率低，无污染。其容量比LiCoO2作为正极材料的锂离子电池要高。