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51单片机应用开发案例精选-汇编程序

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锂电池几种正极材料的优缺点

锂电池几种正极材料的优缺点

    锂离子电池的性能主要取决于所用电池内部材料的结构和性能。这些电池内部材料包括负极材料、电解质、隔膜和正极材料等。其中正、负极材料的选择和质量直接决定锂离子电池的性能与价格。因此廉价、高性能的正、负极材料的研究一直是锂离子电池行业发展的重点。负极材料一般选用碳材料，目前的发展比较成熟。而正极材料的开发已经成为制约锂离子电池性能进一步提高、价格进一步降低的重要因素。在目前的商业化生产的锂离子电池中，正极材料的成本大约占整个电池成本的40％左右，正极材料价格的降低直接决定着锂离子电池价格的降低。对锂离子动力电池尤其如此。比如一块手机用的小型锂离子电池大约只需要5克左右的正极材料，而驱动一辆公共汽车用的锂离子动力电池可能需要高达500千克的正极材料。

    衡量锂离子电池正极材料的好坏，大致可以从以下几个方面进行评估：（1）正极材料应有较高的氧化还原电位，从而使电池有较高的输出电压；（2）锂离子能够在正极材料中大量的可逆地嵌入和脱嵌，以使电池有高的容量；（3）在锂离子嵌入/脱嵌过程中，正极材料的结构应尽可能不发生变化或小发生变化，以保证电池良好的循环性能；（4）正极的氧化还原电位在锂离子的嵌入/脱嵌过程中变化应尽可能小，使电池的电压不会发生显著变化，以保证电池平稳地充电和放电；（5）正极材料应有较高的电导率，能使电池大电流地充电和放电；（6）正极不与电解质等发生化学反应；（7）锂离子在电极材料中应有较大的扩散系数，便于电池快速充电和放电；（8）价格便宜，对环境无污染。

锂离子电池正极材料一般都是锂的氧化物。研究得比较多的有LiCoO₂，LiNiO₂，LiMn₂O₄，LiFePO₄和钒的氧化物等。导电聚合物正极材料也引起了人们的极大兴趣。

1、LiCoO₂

    在目前商业化的锂离子电池中基本上选用层状结构的LiCoO₂作为正极材料。其理论容量为274mAh/g，实际容量为140mAh/g左右，也有报道实际容量已达155mAh/g。该正极材料的主要优点为：工作电压较高（平均工作电压为3.7V）、充放电电压平稳，适合大电流充放电，比能量高、循环性能好，电导率高，生产工艺简单、容易制备等。主要缺点为：价格昂贵，抗过充电性较差，循环性能有待进一步提高。

2、LiNiO₂

    用于锂离子电池正极材料的LiNiO₂具有与LiCoO₂类似的层状结构。其理论容量为274mAh/g，实际容量已达190mAh/g～210mAh/g。工作电压范围为2.5～4.2V。该正极材料的主要优点为：自放电率低，无污染，与多种电解质有着良好的相容性，与LiCoO₂相比价格便宜等。但LiNiO₂具有致命的缺点：LiNiO₂的制备条件非常苛刻，这给LiNiO₂的商业化生产带来相当大的困难；LiNiO₂的热稳定性差，在同等条件下与LiCoO₂和LiMn₂O₄正极材料相比，LiNiO₂的热分解温度最低（200℃左右），且放热量最多，这对电池带来很大的安全隐患；LiNiO₂在充放电过程中容易发生结构变化，使电池的循环性能变差。这些缺点使得LiNiO₂作为锂离子电池的正极材料还有一段相当的路要走。

3、LiMn₂O₄

    用于锂离子电池正极材料的LiMn₂O₄具有尖晶石结构。其理论容量为148 mAh/g，实际容量为90～120 mAh/g。工作电压范围为3～4V。该正极材料的主要优点为：锰资源丰富、价格便宜，安全性高，比较容易制备。缺点是理论容量不高；材料在电解质中会缓慢溶解，即与电解质的相容性不太好；在深度充放电的过程中，材料容易发生晶格崎变，造成电池容量迅速衰减，特别是在较高温度下使用时更是如此。为了克服以上缺点，近年新发展起来了一种层状结构的三价锰氧化物LiMnO₂。该正极材料的理论容量为286 mAh/g，实际容量为已达200 mAh/g左右。工作电压范围为3～4.5V。虽然与尖晶石结构的LiMn₂O₄相比，LiMnO₂在理论容量和实际容量两个方面都有较大幅度的提高，但仍然存在充放电过程中结构不稳定性问题。在充放电过程中晶体结构在层状结构与尖晶石结构之间反复变化，从而引起电极体积的反复膨胀和收缩，导致电池循环性能变坏。而且LiMnO₂也存在较高工作温度下的溶解问题。解决这些问题的办法是对LiMnO₂进行掺杂和表面修饰。目前已经取得可喜进展。

4、LiFePO₄

该材料具有橄榄石晶体结构，是近年来研究的热门锂离子电池正极材料之一。其理论容量为170 mAh/g，在没有掺杂改性时其实际容量已高达110 mAh/g。通过对LiFePO₄进行表面修饰，其实际容量可高达165 mAh/g，已经非常接近理论容量。工作电压范围为3.4V左右。与以上介绍的正极材料相比，LiFePO₄具有高稳定性、更安全可*、更环保并且价格低廉。LiFePO₄的主要缺点是理论容量不高，室温电导率低。基于以上原因，LiFePO₄在大型锂离子电池方面有非常好的应用前景。但要在整个锂离子电池领域显示出强大的市场竞争力，LiFePO₄却面临以下不利因素：（1）来自LiMn₂O₄、LiMnO₂、LiNiMO₂正极材料的低成本竞争；（2）在不同的应用领域人们可能会优先选择更适合的特定电池材料；（3）LiFePO₄的电池容量不高；（4）在高技术领域人们更关注的可能不是成本而是性能，如应用于手机与笔记本电脑；（5）LiFePO₄急需提高其在1C速度下深度放电时的导电能力，以此提高其比容量。（6）在安全性方面，LiCoO₂代表着目前工业界的安全标准，而且LiNiO₂的安全性也已经有了大幅度的提高，只有LiFePO₄表现出更高的安全性能，尤其是在电动汽车等方面的应用，才能保证其在安全方面的充分竞争优势。下表对不同锂离子电池正极材料的性能进行了比较。

 几种材料所产生的电池性能对比如下

    尽管从理论上能够用作锂离子电池正极材料种类很多，但目前在商业化生产的锂离子电池中最广泛使用的正极材料仍然是LiCoO₂。层状结构的LiNiO₂虽然比LiCoO₂具有更高的比容量，但由于它的热分解反应导致的结构变化和安全性问题，使得直接应用LiNiO₂作为正极材料还有相当的距离。但用Co部分取代Ni获得安全性较高的LiNi_1-xCo_xO₂来作为正极材料可能是将来一个重要的发展方向。尖晶石结构的LiMn₂O₄和层状结构的LiMnO₂由于原材料资源丰富、价格优势明显、安全性能高而被认为是极具市场竞争力的正极候选材料之一。但其存在的充放电过程中结构不稳定性问题将是将来的重要研究课题。具有橄榄石结构的LiFePO₄目前的实际放电容量已达理论容量的95％左右，并且具有价格便宜、安全性高、结构稳定、无环境污染等优点，被认为是大型锂离子电池中极有理想的正极材料。

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磷酸铁锂电池简介

磷酸铁锂电池简介

一、   磷酸铁锂电池定义

磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。

锂离子电池的正极材料有很多种，主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。其中钴酸锂是目前绝大多数锂离子电池使用的正极材料，而其它正极材料由于多种原因，目前在市场上还没有大量生产。磷酸铁锂也是其中一种锂离子电池。从材料的原理上讲，磷酸铁锂也是一种嵌入/脱嵌过程，这一原理与钴酸锂，锰酸锂完全相同。

磷酸铁锂由于具有安全性与循环寿命优势、材料成本的诱惑，正在逐步进入锂离子动力电池市场。

二、   磷酸铁锂正极材料

1997年A.K.Padhi首次报导磷酸铁锂（LiFePO4）具有脱嵌锂功能。该材料具有橄榄石型磷酸盐类嵌锂材料,LiMPO4（M：Mn，Fe，Co，Ni）, 成为很有潜力的锂离子电池正极材料。磷酸铁锂作为锂离子电池用正极材料具有良好的电化学性能，充放电平台十分平稳，充放电过程中结构稳定。同时，该材料无毒、无污染、安全性能好、可在高温环境下使用、原材料来源广泛等优点，是目前电池界竞相开发研究的热点。

该材料具有发上图所示的晶体结构。

工作电压范围：2.5～3.6V，平台约3.3V，比钴酸锂电池3.7V低一些。

由于该材料导电性差，需往磷酸铁锂颗粒内部掺入导电碳材料或导电金属微粒，或者往磷酸铁锂颗粒表面包覆导电碳材料，提高材料的电子电导率；或掺杂金属离子来提高导电性。这样材料的密度低，做成电池的体积比容量低，只有180Wh/L（钴酸锂可做到400Wh/L以上），在小电池领域，同样尺寸电池只有现有电池容量的一半不到。

三、   磷酸铁锂电池及其优缺点

磷酸铁锂的优点：

1、安全。磷酸铁锂的安全性能是目前所有的材料中最好的。当然它和其它磷酸盐的安全性能也基本一样，用磷酸铁锂做电池，绝对不用担心爆炸问题的存在。

2、稳定性高。包括高温充电的容量稳定性好，储存性能好等。这点是最大的优点，在所有知道的材料中，也是最好的。

3、环保。整个生产过程清洁无毒。所有原料都无毒。不像钴是有毒的物质。

4、价格便宜。磷酸盐采用磷酸源和锂源以及铁源为材料，这些材料都十分便宜，无战略资源及稀有资源。

磷酸铁锂的缺点：

1、导电性差。这个问题是其最关键的问题。磷酸铁锂之所以这么晚还没有大范围的应用，这是一个主要的问题。但是，这个问题目前已经可以得到完美的解决：就是添加C或其它导电剂。实验室报道可以达到160mAh/g以上的比容量。我们公司生产的磷酸铁锂材料在生产过程中已经添加了导电剂，不需要制作电池时添加。实际上材料应该为：LiFePO4/C，这样一个复合材料。

2、振实密度较低。一般只能达到1.3-1.5，低的振实密度可以说是磷酸铁锂的最大缺点。这一缺点决定了它在小型电池如手机电池等没有优势。即使它的成本低，安全性能好，稳定性好，循环次数高，但如果体积太大，也只能小量的取代钴酸锂。这一缺点在动力电池方面不会突出。因此，磷酸铁锂主要是用来制作动力电池。

3、目前研究开发还不深入。目前以磷酸铁锂作为正极材料的产业化情况并不乐观。因为还是最近两年发展起来的，所以各方面的研究还需要继续深入。

四、    其它

在动力电池领域，由于钴酸锂的安全问题和高昂的价格，使其一直在动力电池门外徘徊，始终没有完全进入动力电池领域。现在的情况是钴酸锂和锰酸锂小批量配合使用，但是由于其固有的缺陷，使得其始终没有大批量的进行商业化运作，产品只是在小批量试生产阶段，目前大规模的商业化运作还有一些难以克服的困难。在动力电池领域磷酸基正极材料依其超长的循环寿命，极好的安全性能，较好的高温性能，极其低廉的价格，而且低温性能和倍率放电已经可以达到钴酸锂的水平等，使其成为最有希望的动力电池材料，其在未来的5年内可能会成镍镉电池的主要替代品，在未来的10年内会成为铅酸电池的有力竞争者，在未来的20年内可能会取代铅酸电池，成为主要的启动电源、UPS电源和后备电源，成为二次电池的老大。

现在磷酸铁锂最主要的问题是容量偏低, 制造成本偏高,在电池生产上加工困难(制浆,拉浆,辊轧等工序都需要特殊处理,很多企业不能很好的处理)倍率放电不稳定(需要特定的电池工艺配合,受工艺影响很大)而现在电器的使用趋势是小巧型发展,所以对电池也有同样的要求高体积能量密度.从容量上看磷酸铁锂没有前途,在特定的电池领域使用较有优势，如动力电池。

磷酸铁锂振实密度比较低,比表面积很大,需要改变电池先行工艺,而且电池极片的面密度低所以同样型号的电池容量更低。

电解液也需重新开发适用的电解液体系，用现有的成熟电解液难发挥其性能。

另外，由于磷酸铁锂电池的工作电压范围在2.5～3.6V，平台为3.3V左右，没有批量配套的保护线路和充电器，较难在现有的电子设备上发挥出其特性，需要一个整体的行业整合。

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I2C通信

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