磷酸钴锂电极材料的制备与电化学性能研究(2)
能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长，从而以非常迅猛的速度占据了
电池市场，替代了镍镉、镍氢电池成为最受欢迎的高能电池。锂离子电池已在便携式电
器，如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍应用。目前开发的大容量锂离子电池已
在电动汽车中开始使用，这也将成为二十一世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在
人造卫星、航空航天和储能等方面得到应用。据权威部门预测，我国锂电池总产值将挑
战100亿美元。据IIT等研究机构推测，我国锂电池行业的年增长率将超过20 %，2016年
电池总体需求量将达到50亿块左右。由此可见，在当前和今后相当一段时间，锂离子电
池将成为我国电池工业的龙头。那么，对于这方面的制备及性能研究也显得尤为重要。
对于锂离子电池而言，正极材料的比容量比负极材料低。在组成电池的成本中，正
极材料为主要的成本来源。因此，从某种程度上讲，正极材料的发展对于锂离子电池的
研究举足轻重。
在各种锂离子电池正极材料中，层状LiCoO2已经获得商业使用，然而钴资源的稀少
和高昂的价格导致锂离子电池生产成本高，限制了其使用范围。近10年来，具有潜在光、
电、 磁、 催化等特性的过渡金属磷酸盐结晶功能材料的合成及应用被广泛研究 [2-4]。 1997
年A.K.Padhi等首次报道了LiFePO4可作为锂离子电池正极材料 [5]，具有橄榄石结构的
LiMPO4 (M＝Fe、Mn、Co、Ni) 系列聚阴离子型化合物已成为新能源材料领域研究的热
点。其中，LiFePO4由于成本低，循环性能优异，安全性好、容量较高 (170 mAh/g) 等
诸多优点得到广泛的研究。虽然目前业界普遍看好LiFePO4取代层状LiCoO2，而且
LiFePO4的研究应用得到了很好的发展，比如知名汽车制造企业比亚迪就是以LiFePO4为
动力电池正极材料的，但其相对于锂的电极电势仅为3.4 V，导致其能量密度偏低 [6]。
LiMnPO4和LiNiPO4的电压平台分别在4.1和5.2 V，但Mn3+的姜-泰勒效应使得LiMnPO4容
量衰减非常严重 [7, 8]。LiNiPO4的高电压平台已超出常规电解液的承受范围。LiCoPO4
理论容量约为167 mAh/g，相对于锂的电极电势为4.8 V [9]，有望成为新一代高容量、高
电压的锂离子电池正极材料。1.2 锂离子电池简介
完整的锂离子电池体系由四部分组成：电解液、正负极隔离物（通常为隔膜或者兼
有锂离子传递和支撑作用的聚合物电解质）、负极和正极。电池实际上是一个能量转换
装置：充电时，将电能转化为化学能，反之亦然。当电池两极间负载时，电子通过外电
路从负极转移到正极，此时化学能转化为电能。当电池两极施加一较高相反电压，电子
转移方向逆转，高电压装置提供的电能转化为化学能存储在电池中。此时电池成为电解
池，相应的正极成为阳极，负极成为阴极。两极上发生的氧化还原反应与作为电池时刚
好相反。
充电正极上发生的反应为：
LiCoO2 = Li1-xCoO2 + XLi
+ + Xe-
(电子)
充电负极上发生的反应为：
6C + XLi
+ + Xe-
= LixC6
充电电池总反应：
LiCoO2 + 6C = Li1-xCoO2 + LixC6
正极材料：可选的正极材料很多，主流产品多采用锂铁磷酸盐。
正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。
充电时：
LiFePO4→ Li1-xFePO4 + XLi
+ +Xe-
放电时：
Li1-xFePO4 + XLi
+ + Xe-
→ LiFePO4
负极材料：多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。
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