OPTON的微觀世界|第22期 SEM技術在Li電池中的應用(上)

隨著全球能源與環境問題不斷凸顯，發展新能源汽車已成為世界各國的共識，歐洲多個國家已經制定了燃油汽車限售的時間表，同時據人民網消息，我國工信部表示我國已啟動研究傳統燃油車的退出時間表，這一消息使得新能源汽車與鋰電池產業站在了資本的風口，那麼作為新能源汽車的重要一個方面的鋰電池產業又將呈現更廣泛的應用潛力。那麼今天小編就將簡單介紹一下Li電池的基本原理與其組成的正負極材料。

首先，我們來介紹一下鋰電池的概念。「鋰電池」，是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。鋰電池大致可以分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。其中鋰金屬電池最早於1912年由Gilbert N.Lewis提出並研究。20世紀70年代時，M.S.Whittingham首先採用硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負極材料，製成首個鋰金屬電池。由但由於鋰金屬的化學特性非常活潑，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對環境要求非常高，其安全隱患備受關注，所以，鋰金屬電池長期沒有得到應用。1982年伊利諾伊理工大學(the Illinois Institute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman發現鋰離子具有嵌入石墨的特性，此過程是快速的，並且可逆，因此人們嘗試利用鋰離子嵌入石墨的特性製作充電電池。1991年索尼公司發布了首個商用鋰離子電池，鋰離子電池革新了消費電子產品的面貌。習慣上，人們把鋰離子電池也稱為鋰電池，但這兩種電池是不一樣的。隨著鋰離子電池正極材料的發展，多種類型的鋰離子電池被研發出來，鋰離子電池由於其電壓高、電容量高、低消耗、無記憶效應、無公害、體積小、內阻小、自放電小循環次數多，廣泛應用在移動電子設備等民用軍用設備中。

鋰金屬電池：

鋰金屬電池一般是使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。

放電反應：

Li+MnO₂=LiMnO₂

鋰離子電池：

鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質的電池。如圖1顯示了鋰離子電池的示意圖。

圖1.鋰離子電池示意圖

以LiCoO₂為例子

充電正極上發生的反應為

LiCoO₂=Li_(1-x)CoO₂+XLi+Xe^-

充電負極上發生的反應為

6C+XLi+ Xe^-=Li_xC₆

充電電池總反應

LiCoO₂＋6C＝Li_(1-x)CoO₂＋Li_xC₆

一般可選的正極材料有很多，例如：鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳酸鋰、三元、富鋰相、矽酸鐵鋰、磷酸錳鋰、硫酸氟鐵鋰。不同的正極材料對應不同的平均輸出電壓於能量密度：

正極材料	平均輸出電壓	能量密度
LiCoO2	3.7 V	140 mAh/g
Li2MnO3	3.7 V	100 mAh/g
LiFePO4	3.2 V	130 mAh/g

第一種是碳負極材料：實際用於鋰離子電池的負極材料基本上都是碳素材料，如人工石墨、天然石墨、中間相碳微球、石油焦、碳纖維、熱解樹脂碳等。

第二種是錫基負極材料：錫基負極材料可分為錫的氧化物和錫基複合氧化物兩種。氧化物是指各種價態金屬錫的氧化物。沒有商業化產品。

第三種是含鋰過渡金屬氮化物負極材料，沒有商業化產品。

第四種是合金類負極材料：包括錫基合金、矽基合金、鍺基合金、鋁基合金、銻基合金、鎂基合金和其它合金 ，沒有商業化產品。

第五種是納米級負極材料：納米碳管、納米合金材料。

第六種納米材料是納米氧化物材料：目前根據2009年鋰電池新能源行業的市場發展最新動向，諸多公司已經開始使用納米氧化鈦和納米氧化矽添加在以前傳統的石墨，錫氧化物，納米碳管裡面，極大地提高鋰電池的充放電量和充放電次數。

前面已經介紹了當前應用最廣範的Li離子電池的基本原理與正負極材料，使我們對鋰離子電池有了一個基本的了解，而在電子顯微學中，Li離子電池又是如何被表徵的呢？下期小編將帶您一起去了解，敬請期待。

下期有什麼精彩內容呢？敬請期待吧！

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