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摘要：锂离子电池作为现如今一种十分有效的二次电池，其不但工作电压高、比能量大，而且循环寿命长、自放电小且绿色无污染等优点，所以在多个行业中得到了广泛应用。近些年来，复合电极的概念引起了广泛的关注。复合型电极指两种或者两种以上材料组成的电极，它通常具有单一型电极所不具备的更加优越的性能。在本文中，我们从复合电极的电性能、热性能及使用寿命的角度，对复合电极相关内容进行了一定的探讨。
关键词：复合电极；锂离子；电池；应用
1 复合电极性能研究
1.1 电性能研究
层状材料一般具有较高的容量而倍率性能较差，因此许多研究者希望通过在层状材料中混入倍率性能较好的其他结构的材料，而制作出同时具有较高能量和功率性能的电池。
为提高富锂层状材料Li1.5Ni0.25Mn0.75O2.5的倍率性能，将其与LiNi0.5Mn1.5O4按照1∶1的质量比进行混合。研究发现，由于混合电极中LiNi0.5Mn1.5O4在低于3.0V时可承载额外的锂离子，使得电池的首次循环效率由单一层状材料的80%提高到了90%，同时极大地提高了电池的倍率性能。通过将富锂层状材料与锰酸锂混合，获得了高低温性能优越的电池，扩大了锂离子电池的温度使用范围。
为改善层状Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2的倍率性能，将其与尖晶石结构的LiMn2O4进行混合。研究发现，2%的LiMn2O4混入能够减小正极的电化学极化，提高电极的倍率性能。通过对不同比例的Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2-LiMn2O4复合电极进行研究，指出复合电极具有较好的脉冲功率性能，在50%DOD时的10s充放电比功率可达700W/kg以上。研究表明，Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2-LiMn2O4复合电极具有较好的快充性能。
通过在xLi2MnO3•（1-x）LiMO2中混入LiFePO4，发现该电极较单一富锂材料电极具有较好的倍率性能，这主要是由于磷酸铁锂提供了较快的锂离子固相扩散通道。同时该电极在低SOC下也具有较高的脉冲功率性能，满足了电动车在整个SOC区间上对脉冲功率的需求。他们认为，这是由于LiFePO4在其电压平台上形成了一个内部的低阻抗通路，承担了大部分的电流。以LiFePO4作为高倍率性能材料，以Li[Li0.17Mn0.58Ni0.25]O2或LiCoO2作为高容量材料，对由这两种材料按照不同组合方式（完全混合、完全分离、分层）所得的复合电极的倍率特性进行了研究。研究表明，复合电极的性能不仅与其构成有关，也与电极中材料的排布方式有关。分离排布的电极在较大电流负载下，极化较小。通过在层状材料Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2中混入一定的LiFePO4，提高了正极的倍率性能。
研究发现LiNi0.9Co0.05Al0.05O2（层状材料）1C、2C、5C下的容量保持率在混入LiFe0.9Mn0.1PO4后，由79.9%、73.3%、63.8%提高到了86.8%、81.1%、73.7%。在LiNi0.5-Co0.2Mn0.3O2中混入LiFe0.3Mn0.7PO4后，电极在2C下的容量保留率可高达94%。
此外，人们还对复合电极的后处理方式进行了研究。Soo等研究了球磨-高温处理的Li[Li1/15Ni1/5Co2/5Mn1/3O2]-LiMn2O4复合电极，Ya等研究了热处理过程对LiCoO2-LiMn2O4复合电极性能的影响。研究表明，对复合材料进行球磨或热处理后，电性能降低，这可能是由于晶体缺陷产生所致。
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通过上述总结可见，混合具有高容量性能和高倍率性能的材料所制备的复合电极，同时具备较高的能量特性与功率特性。而破坏复合组分结构的后处理，如球磨或高温等，将使复合电极的电性能降低。
1.2 热性能研究
许多研究者为改善某些材料热性能差的缺陷，提出了通过复合热性能较好的材料以改进电极的热稳定性。研究了由AlF3包覆LiCoO2和AlF3包覆Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2构成的复合电极。由于AlF3包覆Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2具有较高的热稳定性，减小了电极的产热，使得复合电极的热稳定性得到了极大的提高。发现混入LiMn2O4后电极的产热远小于单一LiNi0.8Co0.15Al0.05O2材料电极，同时极大地减少了氧气的析出。发现LiNi0.8Co0.15Al0.05O2电极中混入安全性能优越的LiFePO4，提高材料的热分解温度，降低充放电过程中产生的热量。
1.3 寿命研究
研究人员尝试通过制作复合电极的方法来提高电池的使用寿命。通过在Li1+xMn2－xO4材料中混入LiNi0.8-Co0.2O2材料，有效减少了高温储存下电解液中HF的产生，抑制了Mn的溶解。S研究发现通过制作LiNi0.8Co0.15Al0.05O2-Li1.1Mn1.9O4复合电极，抑制了HF的产生。将Li1.1Mn1.9O4与LiNi0.4Co0.3Mn0.3O2混合制作复合电极。研究发现，高位45℃储存30d的复合电极的容量保留率高于单一材料所得的结果。借助内置锂金属参比电极对石墨负极与LiMn2O4-LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2复合正极全电池中正负极各自对全电池衰减的贡献进行了分析，研究发现在循环后期混合正极的放电容量发挥逐渐变为由单一组分LiMn2O4单独贡献。通过在LiMn2O4混入LiCoO2提高了电极的循环与储存性能。
2 锂离子电池材料的未来发展
我国的国家动力电池创新中心刚刚成立，工信部部长苗圩强调大力推动我国动力电池技术的发展，说明国家对于储能设备，特别是电池材料及检测技术非常重视。2016年7月由中国东旭光电发布的“烯王”（石墨烯电池），提高了电池的充电速度和寿命；由天津大学、哈尔滨远方新能源汽车动力电池有限公司联合研究出的以磷酸钒锂为正极的锂电池，在低温性能方面已经达到国际领先水平，并且容量比一般的电池高出26%，同时安全性能进一步提高。这些锂离子电池材料本身的提高也是锂电池发展的重要基础。国外的研究相对更为先进，最近，澳大利亚联邦科学与工业研究组织发明出一种“盐浴”的简单方法可以提高电池的续航能力，增加电池的寿命；韩国研究机构开发出石墨烯高速充电锂电材料，20s即可充满电池且寿命高达万次。可以说，物理性的电池研究成果和发展正是人们所需要的。未来电池的发展必将朝着更加满足人们的需要的方向发展。
结束语
总而言之，新能源的崛起碰到的首要问题就是储能技术的发展，对于二次电池的发展，比能量、安全性、性价比是目前面临的三大主要问题。锂离子电池作为目前最有前景的新能源储能设备。
参考文献：
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[2]张海英.CNFs/Co_3O_4@PANI三元复合材料的制备与电化学性质研究[D].西南科技大学，2017.
[3]张淑娴，李喜方，田爽，李风海.石墨烯制备电容器电极材料方面的研究进展[J].山东化工，2017，46（12）：58-60.
[4]周凯.三维纳米材料电极制备及其超级电容器性能研究[D].华南理工大学，2017.
论文作者:张海明1,王明海2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/8
标签：电极论文; 性能论文; 材料论文; 电池论文; 层状论文; 倍率论文; 正极论文; 《基层建设》2018年第35期论文;