聚合物锂离子电池技术

2. 聚合物锂离子电池技术

2.1 聚合物锂离子电池的性能特点
　　 聚合物锂离子电池是指电解质使用固态聚合物电解质（ SPE ）的锂离子电池。电池由正极集流体、正极膜、聚合物电解质膜、负极膜、负极集流体紧压复合成型，外包封铝塑复合薄膜，并将其边缘热熔封合，得到聚合物锂离子电池。由于电解质膜是固态，不存在漏液问题，在电池设计上自由度较大，可根据需要进行串并联或采用双极结构。
　　 聚合物锂离子电池具有以下特点： ① 塑形灵活性； ② 更高的质量比能量（ 3 倍于 MH-Ni 电池）； ③ 电化学稳定窗口宽，可达 5V ； ④ 完美的安全可靠性； ⑤ 更长循环寿命，容量损失少； ⑥ 体积利用率高； ⑦ 广泛的应用领域。
　　 其工作性能指标如下：工作电压： 3.8V ；比能量： 130Wh/kg ， 246Wh/L ；循环寿命：＞ 300 ；自放电：＜ 0.1%/ 月；工作温度： 253-328K ；充电速度： 1h 达到 80 ％容量； 3h 达到 100% 容量；环境因素：无毒.

2.2正极材料
　　 锂离子电池的特性和价格都与它的正极材料密切相关，一般而言，正极材料应满足： ⑴ 在所要求的充放电电位范围内，具有与电解质溶液的电化学相容性； ⑵ 温和的电极过程动力学； ⑶ 高度可逆性； ⑷ 全锂状态下在空气中稳定性能好。随着锂离子电池的发展，高性能、低成本的正极材料研究工作在不断地进行。目前，研究主要集中于锂钴氧化物、锂镍氧化物和锂锰氧化物等锂的过渡金属氧化物 [1] （见表 1 ）。锂钴氧化物（ LiCoO2 ）属于 α-NaFeO2 型结构，具有二维层状结构，适宜锂离子的脱嵌。由于其制备工艺较为简便、性能稳定、比容量高、循环性能好，目前商品化的锂离子电池大都采用 LiCoO2 作为正极材料。其合成方法主要有高温固相合成法和低温固相合成法，还有草酸沉淀法、溶胶凝胶法、冷热法、有机混合法等软化学方法。
    锂镍氧化物（ LiNiO2 ）为岩盐型结构化合物，具有良好的高温稳定性。由于自放电率低、对电解液的要求低、不污染环境、资源相对丰富且价格适宜，是一种很有希望代替锂钴氧化物的正极材料。目前 LiNiO2 主要通过 Ni （ NO3 ） 2 、 Ni （ OH ） 2 、 NiCO3 、 NiOOH 和 LiOH 、 LiNO3 及 LiCO3 经固相反应合成。 LiNiO2 的合成比 LiCoO2 困难，其主要原因是在高温条件下化学计量比的 LiNiO2 容易分解为 Li1-xNi1+xO2 ，过量的镍离子处于 NiO2 平面之间的锂层中，妨碍了锂离子的扩散，将影响材料的电化学活性，同时由于 Ni3+ 比 Co3+ 难得到，因此的合成必须在氧气气氛中进行 [2] 。
　　 锂锰氧化物是传统正极材料的改性物，目前应用较多的是尖晶石型 LixMn2O4 ，它具有三维隧道结构，更适宜锂离子的脱嵌。锂锰氧化物原料丰富、成本低廉、无污染、耐过充性及热安全性更好，对电池的安全保护装置要求相对较低，被认为是最具有发展潜力的锂离子电池正极材料。 Mn 溶解、 Jahn-Teller 效应及电解液的分解被认为是导致锂锰氧化物为正极材料的锂离子电池容量损失的最主要原因。
2.3 固态聚合物电解质
　　 以离子传导电流的固体材料通常被称之为固体电解质，它包括晶体电解质、玻璃电解质和聚合物电解质三种类型，其中固态聚合物电解质（ SPE ）具有质轻、易成膜、粘弹性好等优点，可用于电池、传感器、电致变色显示器和电容器等方面。将 SPE 用于锂离子电池，可排除液体电解质易泄漏的问题，取代电池中的隔离膜，抑制电极表面枝晶的产生，降低电解质与电极的反应活性，提高电池的比能量，使电池具有耐压、耐冲击、生产成本低和易于加工等优点。
　　 常规的固态聚合物电解质（ SPE ）由聚合物与锂盐构成，它是锂盐溶于聚合物而形成的电解质体系。通常分子链上含有能与 Li+ 发生配位作用的氧、氮、硫等极性基团的聚合物可用来形成该类体系，如：聚氧化乙烯（ PEO ）、聚氧化丙烯、聚氧杂环丁烷、聚乙烯亚胺、聚（ N- 丙基 -1 氮杂环丙烷）、聚硫化亚烃等。作为硬酸的 Li+ 倾向于和硬碱发生相互作用，所以锂盐在含氮、硫极性基团的聚合物中的溶解度较在含氧极性基团的聚合物中小，电导率（ σ ）很低而没有实际的意义； PEO 分子的构象比其它聚醚分子更有利于与阳离子形成多重配位，能溶解更多的锂盐，表现出好的导电性能，因此 PEO+ 锂盐体系就成为 SPE 中最早和最广泛研究的体系。
　　 但是常规的固态聚合物电解质（ SPE ）的 σ 室温通常小于 10-4S·cm-1 ，为满足锂离子电池的要求，在聚合物 / 盐体系中加入能促进锂盐离解、增加体系的自由体积分数并降低其玻璃化转变温度（ Tg ）的增塑剂，可得到 σ 室温大于 10-3S·cm-1 的凝胶 SPE 。增塑剂通常是高介电常数、低挥发性、对聚合物 / 盐复合物具有可混性和对电极具有稳定性的有机溶剂。如碳酸乙烯酯（ EC ）、碳酸丙烯酯（ PC ）、碳酸二甲酯、 N- 甲基吡咯烷酮、环丁砜、 γ- 丁内酯等。常用的锂盐有 LiPF6 、 LiN （ SO2CF3 ）等。
　　 运用 XRD 、 DSC 和交流阻抗等测试手段，对影响聚合物电导率的因素作了初步探讨。
⑴ 锂盐浓度对电导率的影响
　　 当锂盐的浓度较低时，聚合物电解质的电导率是比较低的，仅为 10-8 数量级。在锂盐浓度逐渐增大的过程中，由于载流离子浓度的增大，电导率也随之增大；而当盐的浓度继续增大时，高的离子浓度导致了离子间的相互作用力增强，使载流离子的淌度减小，致使电导率下降。
⑵ 增塑剂浓度与 Tg 的关系
　　 随着增塑剂的增加，聚合物电解质的玻璃化转变温度逐渐减小，加快了聚合物电解质在室温时的链段运动，因此它的导电能力也随着增大。虽然增塑剂浓度的增加，大大提高了聚合物电解质的电导率，但同时也降低了聚合物电解质膜的自支成膜性和机械强度。若将预聚物、增塑剂和锂盐共混，利用光或热引发聚合反应，通过化学键形成具有网状结构的凝胶 SPE ，这样得到的 SPE 不仅具有良好机械性能，而且抑制了聚合物结晶，提高了 SPE 中增塑剂的含量，可以获得高 σ 的 SPE 。

2.4 负极材料
　　 锂离子电池的容量在很大程度上取决于负极的锂嵌入量，其负极材料应满足如下要求： ⑴ 锂的脱嵌过程中电极电位变化较小，并接近金属锂； ⑵ 有较高的比容量； ⑶ 较高的充放电效率； ⑷ 在电极材料的内部和表面 Li+ 均具有较高的扩散速率； ⑸ 较高的结构、化学和热稳定性； ⑹ 价格低廉，制备容易。目前有关锂离子电池负极材料的研究工作主要集中在碳材料和具有特殊结构的其它金属氧化物。
　　 一般制备负极材料的方法如下： ① 在一定高温下加热软碳得到高度石墨化的碳； ② 将具有特殊结构的交联树脂在高温下分解得到硬碳； ③ 高温热分解有机物和高聚物制备含氢碳。
碳负极材料要克服的困难就是容量循环衰减的问题，即由于固体电解质相界面膜（ Solid electrolyte interphase ，简称 SEI ）的形成造成不可逆容量损失。因此制备高纯度和规整的微结构碳负极材料是发展的一个方向。
　　 各种金属氧化物其机理与正极材料类似，主要研究方向是获取新型结构或复合结构的金属氧化物。