钛酸锂基负极材料的研究+文献综述(3)
自从1991年日本Sony公司第一次在市场上推出锂离子电池以来[14]，锂离子电池在短短几年内被运用于手机、笔记本电脑、数码相机等移动设备而得到了广泛的发展[15,16]。特别是随着电动汽车和混合动力汽车的问世，更是将锂离子二次电池的发展推向了第二个高潮[17]。世界上各个国家先后出台了锂离子电池的发展计划，如欧洲的“焦耳”计划、美国的先进电池联合体等[18,19,20]。中国政府同样高度重视锂离子电池的开发与应用，将其列入 “863”计划和 “十五”等重点项目。国内有很多研究单位开展了锂离子电池的研究，如天津电源研究所、北京科技大学、清华大学深圳研究院、中科院成都某所等都在做这方面的研究。但是目前核心技术基本上还是掌握在美国、日本和欧洲等发达国家手中[21]。
1.2.2 锂离子电池的结构和工作原理
锂离子电池作为一种将电能-化学能相互转化的装置，由三部分构成：电极材料（包括了负极材料和正极材料）、电解液和隔膜。电池主要的储能介质是正负极材料，一般由可以可逆的嵌入和脱出锂离子的化合物构成。锂盐的载体是电解液，在电池的内部的作用是离子导电，锂离子主要集中于此。正负极材料之间为隔膜，隔膜能够进行离子传输并阻止电子导电，以防止正负极短路[22]。典型的锂离子电池结构图如图1-1所示[23]。
图1-1 锂离子电池工作原理图
在充电的过程当中，Li+从正极材料中脱出并进入电解液中，经过隔膜向负极移动，在负极获取一个电子后嵌入到负极的晶格之中。此时，电池正极因脱出Li+而处于贫锂态，负极因为嵌入Li+而处于富锂态，要求外电路给负极供应电子补充从而确保负极的电荷平衡，因而在电池内部产生正极到负极的电流。电池放电时则过程相反[24]。在正常的充放电循环过程当中，Li+可以可逆的嵌入和脱出正、负极材料，让电极材料产生氧化还原反应，同时文持一定的电位。虽然嵌入和脱出Li+导致电池材料层之间的间距离发生一定的变化，但是绝大多数情况下，不会影响正、负极材料的晶体结构的变化[25]，所以锂离子电池具有良好的循环稳定性和安全性。
锂离子电池正负极反应化学方程式为：
正极反应：LiMO2 → Li1-xMO2 + xLi+ + xe- （1-1）
负极反应：nC + xLi+ + xe-→ LixCn （1-2）
电池总反应方程式：LiMO2 + nC → Li1-xMO2 + LixCn （1-3）
经常使用的电池正极材料有：磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂等，经常使用的电池负极材料有：LixC6、钛酸锂等[26]。
从锂离子电池的工作原理中可以发现，它从本质上说是一种Li+的浓差电池，电池的工作电压与化合物中锂离子的浓度及锂离子嵌入化合物的性质有关。在充放电过程当中，Li+在正负极之间可逆的嵌入和脱出，犹如摇椅在两端循环往复的摆动，因此二次锂离子电池又称为 “摇椅电池”[27]。
1.2.3 锂离子电池负极材料
锂离子电池对负极材料的要求主要有：（1）有较大的锂离子嵌入的空间；（2）有好的锂离子的脱嵌可逆性[28]；（3）有快的锂离子的脱嵌速度和扩散速度；（4）具有低的负极放电电压，具有较稳定的放点平台[29]；（5）在电解液环境中稳定，不发生副反应；（6）具有高的电子导电性；（7）充放电时材料的结构变化小。
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