作者：朱继平 主编 罗派峰、徐晨曦 副主编
出版社：化学工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
新能源材料技术试读：
前言
能源和材料是支撑当今人类文明和保障社会发展的最重要物质基础之一。随着世界经济的快速发展和全球人口的不断增长，世界能源消耗剧增，伴随煤炭、石油、天然气等主要化石燃料的匮乏和全球生态环境的不断恶化，特别是温室气体排放导致日益严峻的全球气候变化，人类社会的可持续发展受到严重威胁，这一现状使得可再生清洁能源的开发、利用越来越得到各国的重视，解决能源危机的关键是能源材料尤其是新能源材料技术的突破。
本书共分7章，在介绍国内外新能源材料开发、利用、研究的基础上，结合当今世界新能源领域的研究发展现状，概述了新能源与新能源材料面临的主要任务和研究进展；阐述了锂离子电池材料技术、太阳能电池材料技术、燃料电池材料技术、生物质能材料技术、核能材料技术和风能、地热能、海洋能及其材料技术。本书旨在为广大读者系统地介绍新能源材料工程领域的基本理论和技术进展等。本书适合高等院校能源、材料、化工、环境、生命等相关学科的本科生和研究生作为教材，也适合从事以上相关领域的工程技术人员、科研人员和管理人员参考。
本书由朱继平任主编，罗派峰、徐晨曦任副主编。其中，朱继平编写第1章、第2章、第5章和第6章；罗派峰编写第3章和第7章；徐晨曦编写第4章。张胜、祖伟、段锐、刘兆范等研究生也参加了本书的编写工作。项宏发、谢奎、周艺峰、姚卫棠等老师对本书的编写给予了大力帮助，在此表示诚挚的谢意。化学工业出版社对本书的出版给予了大力支持，合肥工业大学、安徽大学“新能源材料与器件”专业的同仁也提供了大量最新研究成果，在此一并致谢。
本书的出版得到了国家自然科学基金委项目（21373074）的支持，在此表示感谢！
由于新能源材料技术发展迅速、涉及面广，限于编者本身水平和能力所限，本书难免存在一些疏漏，诚恳地希望读者予以批评、指正。编 者2014年8月第1章 绪论
能源和材料是支撑当今人类文明和保障社会发展的最重要的物质基础。随着世界经济的快速发展和全球人口的不断增长，世界能源消耗也大幅度上升，伴随主要化石燃料的匮乏和全球环境状况的恶化，传统能源工业已经越来越难以满足人类社会的发展要求。能源问题与环境问题是21世纪人类面临的两大基本问题，发展无污染、可再生的新能源是解决这两大问题的必由之路。解决能源危机的关键在于能源材料尤其是新能源材料技术的突破。
能源按其形成方式不同分为一次能源和二次能源。一次能源，即直接从自然界取得的以自然形态存在的能源，如风能、地热能。二次能源，即由一次能源经过加工或转换得到的能源，如煤气、电能等，它是联系一次能源和能源用户的中间纽带。一次能源包括以下三大类。
①来自地球以外天体的能量，主要是太阳能。
②地球本身蕴藏的能量、海洋和陆地内储存的燃料、地球的热能等。
③地球与天体相互作用产生的能量，如潮汐能。
能量按其循环方式不同可分为不可再生能源（化石燃料等）和可再生能源（生物质能、氢能、化学能源等）；按使用性质不同可分为含能体能源（煤炭、石油等）和过程性能源（风能、潮汐能等）；按环境保护的要求可分为清洁能源（又称为“绿色能源”，如太阳能、氢能等）和非清洁能源（煤、石油等）；按现阶段的程度可分为常规能源和新能源。表1-1归纳了能源分类方法。表1-1 能源分类方法1.1 新能源与新能源材料
新能源是相对于常规能源而言的，通过使用新技术和新材料而获得的并在新技术基础上系统地开发利用的能源，如太阳能、风能、海洋能、地热能等。与常规能源相比，新能源生产规模较小，使用范围较窄。以核裂变能为例，20世纪50年代初开始把它用来生产电力和作为动力使用时，被认为是一种新能源；到80年代世界上不少国家已把其列为常规能源。太阳能和风能被利用的历史比核裂变能要早许多世纪，由于还需要通过系统研究和开发才能提高利用效率、扩大使用范围，所以还把它们列入新能源。联合国曾认为新能源和可再生能源共包括14种能源：太阳能、地热能、风能、潮汐能、海水温差能、波浪能、薪柴、木炭、泥炭、生物质能、畜力、油页岩、焦油砂及水能。目前各国对这类能源的称谓有所不同，但共同的认识是，除常规的化石能源和核能之外，其他能源都可称为新能源或可再生能源，主要为太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能、氢能和水能。由不可再生能源逐渐向新能源和可再生能源过渡，是当今能源利用的一个重要特点。在能源、气候、环境问题面临严重挑战的今天，大力发展新能源和可再生能源符合国际发展趋势，对维护我国能源安全以及环境保护意义重大。
能源材料是材料学科的一个重要研究方向，如有的学者将能源材料分为新能源技术材料、能量转换与储能材料和节能材料等。综合国内外的一些观点，我们认为新能源材料是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料，它是发展新能源技术的核心和基础。从材料学的本质和能源发展的观点看，能储存和有效利用现有传统能源的新型材料也可以归属为新能源材料。新能源材料覆盖了镍氢电池材料、锂离子电池材料、燃料电池材料，太阳能电池材料、反应堆核能材料、发展生物质能所需的重点材料、新型相变储能和节能材料等。新能源材料的基础仍然是材料科学与工程学科并基于新能源的理念演化和发展。
材料科学与工程研究的范围涉及金属、陶瓷、高分子材料（如塑料）、半导体材料以及复合材料等，通过各种物理和化学的方法发现新材料、改变传统材料的特性或行为使它变得更有用，这就是材料科学的核心。材料的应用是人类发展的里程碑，人类所有的文明进程都是以人类使用的材料来分类的，如石器时代、铜器时代、铁器时代等。21世纪是新能源发挥巨大作用的时代，显然新能源材料及相关技术也将发挥巨大作用。新能源的发展一方面依靠利用新的原理（如聚变核反应、光伏效应等）来发展新的能源系统，同时还必须依靠新材料的开发与应用，才能使新的系统得以实现，并进一步地提高效率、降低成本。当今新能源的概念已经囊括很多方面，那么具体某类新能源材料而言就要体现出其所代表的该类新能源的特性。1.2 新能源材料学科的任务及面临的课题
为了发挥材料的作用，新能源材料学科面临艰巨的任务。作为材料科学与工程学科的重要组成部分，新能源材料学科的主要研究内容同样也是材料的组成与结构、制备与加工工艺、材料的性质、材料的使用效能以及它们之间的关系。结合新能源材料的特点，新能源材料研究开发的重点有以下几方面。
①研究新材料、新结构、新效应以提高能量的利用效率与转换效率。例如，研究不同的电解质与催化剂以提高燃料电池的转换效率，研究不同的半导体材料及各种结构（包括异质结、量子阱）以提高太阳能电池的效率、寿命与耐辐照性能等。
②资源的合理利用。新能源的大量应用必然涉及新材料所需原料的资源问题。例如，太阳能电池若能部分地取代常规发电，所需的半导体材料要在百万吨以上，对一些元素（如镓、铟等）而言是无法满足的。因此，一方面尽量利用丰度高的元素，如硅等；另一方面实现薄膜化以减少材料的用量。又例如，燃料电池要使用铂作为催化剂（或触媒），铂的取代或节约是大量应用中必须解决的课题。当新能源发展到一定规模时，还必须考虑废料中有价元素的回收工艺与循环使用。
③安全与环境保护。这是新能源材料能否大规模应用的关键。例如，锂离子电池具有优良的性能，但由于锂二次电池在应用中出现短路造成的烧伤事件，以及金属锂因性质活泼而易于着火燃烧，因而影响了其应用。为此，研究出用碳素体等作为负极载体的锂离子电池，使上述问题得以避免，现已成为发展速度最快的锂离子二次电池。另外，有些新能源材料在生产过程中也会对环境造成污染；还有服务期满后的废弃物，如核能废弃物，也会对环境造成污染。这些都是新能源材料科学与工程学科必须解决的问题。
④材料规模生产的制作与加工工艺。在新能源的研究开发阶段，材料组成与结构的优化是研究的重点，而材料的制作与加工常使用现成的工艺与设备。到了工程化阶段，材料的制作与加工工艺及设备就成为关键的因素。在许多情况下，需要开发针对新能源材料的专用工艺与设备以满足材料产业化的要求，这些情况包括大的处理量、高的成品率、高的劳动生产率、材料及部件的质量参数的一致性和可靠性、环保及劳动防护、低成本等。
例如，在金属氧化物镍电池生产中开发的多孔镍材料的制作技术、开发锂离子电池的电极膜片制作技术等。在太阳能电池方面，为了进一步降低成本，美国能源部拨专款建立称之为“光伏生产工艺” （Photovoltaic Manufacturing Technology）的项目，力求通过完善大规模生产工艺与设备，使太阳能电池发电成本能与常规发电成本相比拟。
⑤延长材料的使用寿命。现代发电技术、内燃机技术是众多科学家与工程师在几十年到上百年间的研究开发成果。采用新能源及其装置对这些技术进行取代所遇到的最大问题在于成本有无竞争性：从材料的角度考虑，要降低成本，一方面要靠从上述各研究开发关键方面进行努力；另一方面还要靠延长材料的使用寿命。上述方面的潜力是很大的，这要从解决材料性能退化的原理着手，采取相应措施，包括选择材料的合理组成或结构、材料的表面改性等；并要选择合理的使用条件，如降低燃料中的有害杂质含量以提高燃料电池催化剂的寿命就是一个明显的例子。1.3 新能源材料的主要应用现状与进展
新能源发展过程中发挥重要作用的新能源材料有锂离子电池关键材料、镍氢动力电池关键材料、氢能燃料电池关键材料、多晶硅薄膜太阳能电池材料、生物质能利用关键材料、LED发光材料、核用锆合金等。新能源材料的应用现状可以概括为以下几个方面。
①锂离子电池及其关键材料。经过10多年的发展，小型锂离子电池在信息终端产品（移动电话、便携式电脑、数码摄像机）中的应用已占据垄断性的地位，我国也已发展成为全球三大锂离子电池和材料的制造和出口大国之一。新能源汽车用锂离子动力电池和新能源大规模储能用锂离子电池也已日渐发展成熟，市场前景广阔。近10年来锂离子电池技术发展迅速，其比能量由100W·h/kg增加到180W·h/kg，比功率达到2000W/kg，循环寿命达到2000次以上。在此基础上，如何进一步提高锂离子电池的性价比及其安全性是目前的研究重点，其中开发具有优良综合性能的正负极材料、工作温度更高的新型隔膜和加阻燃剂的电解液是提高锂离子电池安全性和降低成本的重要途径。
②镍氢电池及其关键材料。镍氢动力电池已进入成熟期，在商业化、规模化应用的混合动力汽车中得到了实际验证，全球已经批量生产的混合动力汽车大多采用镍氢动力电池。目前技术较为领先的是日本Panasonic EV Energy公司，其开发的电池品种主要为6.5A·h电池，形状主要有圆柱形和方形两种，电池比能量为45W·h/kg，比功率达到1300W/kg。采用镍氢动力电池的Prius混合动力轿车在全球销售约120万辆，并已经经受了10年左右的商业运行考核。随着Prius混合动力轿车需求增大，原有的镍氢动力电池产量已不能满足市场需求。Panasonic EV Energy公司正在福岛县新建了一条可满足106台/年电动汽车用镍氢动力电池的生产线，计划3年后投产。镍氢电池是近年来开发的一种新型电池，与同体积的镍镉电池相比，容量可以提高一倍，没有记忆效应，对环境没有污染。它的核心是储氢合金材料，目前主要使用的是RE（LaNi）系、Mg系和Ti系储氢材料。我国在小功5率镍氢电池产业化方面取得了很大进展，镍氢电池的出口量逐年增长，年增长率达30％以上。世界各发达国家都将大型镍氢电池列入电动汽车电源的开发计划，镍氢动力电池正朝着方形密封、大容量、高能比的方向发展。
③燃料电池材料。燃料电池材料因燃料电池与氢能的密切关系而显得意义重大。燃料电池可以应用于工业及生活的各个方面，如使用燃料电池作为电动汽车电源一直是人类汽车发展的目标之一。在材料及部件方面，研究人员主要进行了电解质材料合成及薄膜化、电极材料合成与电极制备、密封材料及相关测试表征技术的研究，如掺杂的LaGaO、纳米钇稳定氧化锆（YSZ）、锶掺杂的锰酸镧阴极及Ni-3YSZ陶瓷阳极的制备与优化等。采用廉价的湿法工艺，可在YSZ+NiO阳极基底上制备厚度仅为50μm的致密YSZ薄膜，800℃用氢气作为燃2料时单电池的输出功率密度达到0.3W/cm以上。
催化剂是质子交换膜燃料电池的关键材料之一，对于燃料电池的效率、寿命和成本均有较大影响。在目前的技术水平下，燃料电池中6Pt的使用量为1～1.5g/kW，当燃料电池汽车达到10辆的规模（总功7率为4×10kW）时，Pt的用量将超过40t，而世界Pt族金属总储量为56000t，且主要集中于南非（77％）、俄罗斯（13％）和北美（6％）等地，我国本土的Pt族金属矿产资源非常贫乏，总保有储量仅为310t。铂金属的稀缺与高价已成为燃料电池大规模商业化应用的瓶颈之一。如何降低贵金属铂催化剂的用量，开发非铂催化剂，提高其催化性能，已成为当前质子交换膜燃料电池催化剂的研究重点。
传统的固体氧化物燃料电池（SOFC）通常在800～1000℃的高温条件下工作，由此带来材料选择困难、制造成本高等问题。如果将SOFC的工作温度降至600～800℃，便可采用廉价的不锈钢作为电池堆的连接材料，降低电池辅助装置（BOP）对材料的要求，同时可以简化电池堆设计，降低电池封装难度，减缓电池组件材料间的相互反应，抑制电极材料结构变化，从而提高SOFC系统的寿命，降低SOFC系统的成本。当工作温度进一步降至400～600℃时，有望实现SOFC的快速启动和关闭，这为SOFC进军燃料电池汽车、军用潜艇及便携式移动电源等领域打开了大门。实现SOFC的中低温运行有两条主要路径：继续采用传统的YSZ电解质材料，将其制成薄膜，减小电解质厚度，以减小离子传导距离，使燃料电池在较低温度下获得较高的输出功率；开发新型的中低温固体电解质材料及与之相匹配的电极材料和连接板材料。
④轻质高容量储氢材料。目前得到实际应用的储氢材料主要有AB型稀土系储氢合金、AB型钛系合金和AB型Laves相合金，但这52些储氢材料的储氢质量分数都低于2.2％。近期美国能源部将2015年储氢系统的储氢质量分数的目标调整为5.5％。目前尚无一种储氢方式能够满足这一要求，因此必须大力发展新型高容量的储氢材料。目前的研究热点主要集中在高容量金属氢化物储氢材料、配位氢化物储氢材料、氨基化合物储氢材料和MOF等方面。在金属氢化物储氢材s料方面，北京有色金属研究总院近期研制出TiCrCe合金，其室32460.4温最大储氢质量分数可达3.65％，在70℃、101MPa条件下有效放氢质量分数达到2.5％。目前研究报道的钛钒系固溶体储氢合金，大多以纯V为原料，成本偏高，大规模应用受到限制。因此，高性能低钒固溶体合金和以钒铁为原料的钛钒铁系固溶体储氢合金的研究日益受到重视。
⑤太阳能电池材料。基于太阳能在新能源领域的龙头地位，美国、德国、日本等发达国家都将太阳能光电技术的研究放在新能源开发的首位。这些国家的单晶硅电池的转换率相继达到20％以上，多晶硅电池在实验室中的转换效率也达到了17％，这引起了各方面的关注。砷化镓太阳能电池的转换率目前已经达到20％～28％，采用多层结构还可以进一步提高转换效率，美国研制的高效堆积式多结叠层砷化镓太阳能电池的转换效率达到了31％。IBM公司报道的多层复合砷化镓太阳能电池的转换效率达到40％。在世界太阳能电池市场上，目前仍以晶体硅太阳能电池为主。预计在今后一定时间内，世界太阳能电池及其组件的产量将以每年35％左右的速度增长。晶体硅太阳能电池的优势地位在相当长的时期里仍将继续保持。
⑥生物质能利用的重点材料。开发利用生物质能等可再生的清洁能源对建立可持续的能源系统、促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。目前人类对生物质能的利用，包括直接用于燃料的有农作物的秸秆、薪柴等；间接作为燃料的有农林废弃物、动物粪便、垃圾及藻类等，它们通过微生物作用生成沼气，或采用热解法制造液体和气体燃料，或用于制造生物炭。现代生物质能的利用是通过生物质的厌氧发酵制取甲烷，用热解法生成燃料气、生物油和生物炭，用生物质制造乙醇和甲醇燃料，以及利用生物工程技术培育能源植物，发展能源农场。其中生物质高效转化发电技术、定向热解气化技术和液化油提炼技术，是当前生物质能利用的主要发展方向。美国目前生物质能约占全国能量供给的3％，成为该国最大的可再生能量来源；在发电能源消耗中，可再生能源约占9.1％，其中生物质发电占67％。芬兰的生物质发电技术也很成功，目前生物质发电量占该国发电量的11％。奥地利成功推行了建立燃烧木材剩余物的区域供电站计划，生物质能在总能耗中的比例增加到25％。
⑦发展核能的关键材料。美国的核电约占总发电量的20％，法国、日本两国核能发电所占份额分别为77％和29.7％。目前，中国核电工业由原先的适度发展进入加速发展的阶段，同时我国核能发电量创历史最高水平，到2020年核电装机容量将占全部总装机容量的4％。核电工业的发展离不开核材料，任何核电技术的突破都有赖于核材料的首先突破。发展核能的关键材料包括：先进核动力材料、先进核燃料、高性能燃料元件、新型核反应堆材料、铀浓缩材料等。
在核反应堆中，目前普遍使用锆合金作为堆芯结构部件和燃料元件包壳材料，Zr-2、Zr-4和Zr-2.5Nb是水堆用的三种最成熟的锆合金：Zr-2用于沸水堆包壳材料，Zr-4用于压水堆、重水堆和石墨水冷堆的包壳材料，Zr-2.5Nb用于重水堆和石墨水冷堆的压力管材料。其中Zr-4合金应用最为普遍，该合金已有30多年的使用历史。为了提高性能，一些国家开展了为改善Zr-4合金的耐腐蚀性能以及开发新锆合金的研究工作。通过将Sn含量取下限，Fe、Cr含量取上限，并采取适当的热处理工艺改善微观组织结构，得到了改进型Zr-4包壳合金，其堆内腐蚀性能得到了改善。但是，长期使用证明，改进型Zr-4合金仍然不能满足50GW·d/tU以上高燃耗的要求。针对这一情况，美国、法国和俄罗斯等国家开发了新型Zr-Nb系合金，与传统Zr-Nb合金相比，新型Zr-Nb系合金具有抗吸氢能力强，耐腐蚀、高温性能好及加工性能好等特性，能满足60GW·d/tU甚至更高燃耗的要求，并可延长换料周期。这些新型锆合金已在新一代压水堆电站中获得广泛应用，如法国采用M5合金制成燃料棒，经在反应堆内辐照后表明，其性能大大优于Zr-4合金。法国法马通公司的AFA3G燃料组件已采用M5合金作为包壳材料。
⑧其他新能源材料。我国风能资源较为丰富，但与世界先进国家相比，我国风能利用技术和发展差距较大，其中最主要的问题是尚不能制造大功率风电机组的复合材料和叶片材料。电容器材料和热电转换材料一直是传统能源材料的研究范围。现在随着新材料技术的发展和新能源领域的拓展，一些新的热电转换材料也可以作为新能源材料来研究。目前热电材料的研究主要集中在（SbBi）（TeSe）合32金、填充式Skutterudites CoSb型合金（如CeFeSb）、Ⅳ族3412Clathrates体系（如SrEuGaGe）以及Half-Heusler合金（如441630TiNiSnSb）。节能储能材料的技术发展也使得相关关键材料研0.950.05究迅速发展，一些新型的利用传统能源和新能源的储能材料也成为人们关注的对象。利用相变材料（Phase Change Materials，PCM）的相变潜热来实现能量的储存和利用，提高能效和开发可再生能源，是近年来能源科学和材料科学领域中一个十分活跃的前沿研究方向。发展具有产业化前景的超导电缆技术是国家新材料领域超导材料与技术专项的重点课题之一。我国已成为世界上第3个将超导电缆投入电网运行的国家，超导电缆技术已跻身于世界前列，将对我国的超导应用研究和能源工业的前景产生重要影响。
总之，提高效能、降低成本、节约资源和环境友好将成为新能源发展的永恒主题，新能源材料将在其中发挥越来越重要的作用。如何针对新能源发展的重大需求，解决新能源材料相关的材料科学基础研究和重要工程技术问题，将成为材料工作者的重要研究课题。参考文献[1] 艾德生，高喆.新能源材料——基础与应用.北京：化学工业出版社，2010.[2] 吴其胜，戴振华，张霞.新能源材料.上海：华东理工大学出版社，2012.[3] 王革华，艾德生.新能源概论.北京：化学工业出版社，2012.[4] 杨名舟，王成仁，张定.中国新能源.北京：中国水利水电出版社，2013.[5] 黄可龙，王兆翔，刘素琴.锂离子电池原理与关键技术.北京：化学工业出版社，2007.[6] 吴创之，马隆龙.生物质能现代化利用技术.北京：化学工业出版社，2003.[7] Michael M，Thackeray，Christopher Wolverton，Eric D.Isaacs.Energy Environ Mental Science.，2012，5：7854-7863.[8] Sun YQ，Wu Q，Shi GQ.Energy Environmental Science，2011，4：4.[9] Ferreira，Paulo.Abstracts of Papers of the American Chemical，2013，245.[10] Malik，Jennifer A，Nekuda.MRS Bulletin，2013，4.[11] Klapötke Thomas.Chemistry of High-Energy Materials.Germany：the Deutsche Nationalbiblionthek，2011.[12] Hassoun I，Reale JP，Journal of Materials Chemistry，2007，17（35）：3668-3677.第2章 锂离子电池材料2.1 锂离子电池概述
锂是自然界最轻的金属元素，具有较低的电极电位-3.045V（vs.SHE）和高的理论比容量3860mA·h/g。因此，以锂为负极组成的电池具有电压高和能量密度大等特点。锂一次电池的研究始于20世纪50年代，于70年代进入实用化。由于其优异的性能，已广泛应用于军事和民用小型电器中，如导弹点火系统、潜艇、鱼雷、飞机、心脏起搏器、电子手表、计算器、数码相机等，部分代替了传统电池。已实用化的锂一次电池有Li-MnO、Li-I、Li-CuO、Li-SOCl、222Li-（CF）、Li-SO、Li-AgCrO等。xn224
锂二次电池的研究工作也同时展开，但因其使用金属锂作为负极带来了许多问题。特别是在反复的充放电过程中，金属锂表面生长出锂枝晶，能刺透在正负极之间起电子绝缘作用的隔膜，最终触到正极，造成电池内部短路，引起安全问题。解决方法主要是对电解液、隔膜进行改进，解决枝晶问题。这方面的工作一直在持续，但目前尚未取得关键性突破。另一方面，人们提出采用新的电极材料代替金属锂。
1980年，M.Armand提出了“摇椅式”二次锂电池的设想，即正负极材料采用可以储存和交换锂离子的层状化合物，充放电过程中锂离子在正负极之间穿梭，从一边“摇”到另一边，往复循环，相当于锂的浓差电池。而Murphy和Scrosat等通过对小型原理电池的研究证实了锂离子电池实现的可能性。他们采用的正极材料是LiFeO和623LiWO，负极材料是TiS、WO、NbS或VO，电解液是LiClO和2222254PC（碳酸丙烯酯）。虽然这些电池比容量很低，充放电速率较慢，但初步表明了“摇椅式”二次锂电池概念的可行性。在研究之初，一直以负极作为锂源。但是在20世纪80年代初期，Goodenough合成了LiMO（M=Co、Ni、Mn）化合物，这些材料均为层状化合物，能够2可逆地嵌入和脱出锂，后来逐渐发展成为二次电池的正极材料。这类材料的发现改变了二次锂电池锂源为负极的传统思想。1989年，Aubum和Barberio直接将LiCoO用于电池的组装，研究了2MoO（WO）︱LiPF-PC︱LiCoO体系，避免了电池两步组装的困2262难，但锂离子在MoO（WO）中的扩散很慢，限制了此类电池体系22的放电速率。
锂离子二次电池的发展历程见表2-1。表2-1 锂离子二次电池的发展历程注：LE为液体电解质，PE为聚合物电解质。
日本SONY公司通过对碳材料仔细的研究，1990年宣布成功开发了以碳作为负极的二次锂电池，于1991年6月投放市场。后来，这种不含金属锂的二次锂电池被称为锂离子电池。SONY公司的电池负极材料为焦炭，正极材料为LiCoO，电解液为碳酸丙烯酯（PC）和碳2酸乙烯酯（EC）组成的混合溶剂。1990年，Dahn等注意到，锂离子在PC电解液体系中可以嵌入石墨，但由于溶剂共嵌入而导致石墨结构被破坏。而结晶度差的非石墨化碳（石油焦）对溶剂的影响非常敏感。这些研究解释了SONY公司电池体系成功的原因。相对于当时广泛使用的其他二次电池体系，SONY公司报道的二次锂电池具有高电压、高容量、循环性能好、自放电率低、对环境无污染等优点。因此，立即引发了全球范围内研究和开发二次锂电池的热潮。目前，人们还在不断研发新的电池材料，改善设计和制造工艺，以提高其性能。现以18650型锂离子电池为例，1991年SONY公司产品的容量为900mA·h，目前已达到2550mA·h。2.1.1 锂离子电池工作原理
锂离子电池是指分别用两个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间转移来完成电池充放电工作的独特机理的锂离子电池形象地称为摇椅式电池，俗称锂电。锂离子电池工作原理如图2-1所示，以LiCoO为例。2 正极反应： （2-1） 负极反应： （2-2） 电池总反应： （2-3）图2-1 锂离子电池工作原理图
锂离子电池的工作原理就是指其充放电原理。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入碳层的锂离子越多，充电容量越高。同样道理，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极，回到正极的锂离子越多，放电容量越高。2.1.2 锂离子电池的组成
锂离子电池的结构一般包括以下部件：正极、负极、电解质、隔膜、正极引线、负极引线、中心端子、绝缘材料、安全阀、PTC（正温度控制端子）、电池壳。以圆柱形锂离子电池为例，其结构如图2-2（a）所示，扣式电池的结构与圆柱形电池的结构相似。方形锂离子电池的结构如图2-2（b）所示。聚合物锂离子电池的结构如图2-2（c）所示。图2-2 几种锂离子电池的结构2.1.3 锂离子电池的优缺点
锂离子电池与其他电池相比具有许多优点，有关数据见表2-2。表2-2 三种锂离子电池的性能比较
锂离子电池具有许多显著特点，它的优点表现如下。
①工作电压高。锂离子电池的工作电压在3.6V，是镍镉电池和镍氢电池工作电压的3倍。在许多小型电子产品上，一节锂离子电池即可满足使用要求。
②比能量高。锂离子电池比能量目前已达150W·h/kg，是镍镉电池的3倍，是镍氢电池的1.5倍。
③充放电寿命长。目前锂离子电池充放电寿命已达1000次以上，在低放电深度下可达几万次，超过了其他几种二次电池。
④自放电小。锂离子电池的月自放电率仅为6％～8％，远低于镍镉电池（25％～30％）及镍氢电池（15％～20％）。
⑤无记忆效应。
⑥对环境无污染。（锂离子电池中不存在有害物质，是名副其实的“绿色电池”）。
锂离子电池也有一些不足之处，主要表现如下。
①成本高，主要是正极材料LiCoO的价格高。2
②必须有特殊的保护电路，以防止过充。
③与普通电池的相容性差，一般在需要3节普通电池的情况下才能用锂离子电池替代。2.1.4 锂离子电池的设计及组装
电池的结构、壳体及零部件、电极的外形尺寸及制造工艺、正负极材料物质的配比、电池组装的松紧度对电池的性能都有不同程度的影响。因此，合理的电池设计、优化的生产工艺过程，是关系到研究结果的准确性、重现性、可靠性的关键。
锂离子电池设计主要需要解决的问题如下。
①在允许的尺寸、重量范围内进行结构和工艺的设计，使其满足整机系统的用电要求。
②寻找简单可行的工艺路线。
③最大限度地降低成本。
④在条件许可的情况下，提高产品的技术性能。
⑤最大可能实现作为“绿色”电源的目的，克服和解决环境污染问题。
随着锂离子电池的商业化，越来越多的领域都开始使用锂离子电池。由于技术问题，目前使用的锂离子电池还是以钴酸锂为主作为其正极材料，而钴是一种战略资源，其价格相当昂贵；同时，由于其高毒性存在着环境污染问题，值得庆幸的是，磷酸铁锂、锰酸锂及其掺杂化合物正作为最有可能替代钴酸锂的正极材料越来越引起人们的关注。
锂离子电池的设计主要从电池的设计原理、设计原则及一般的计算方法进行介绍，以下简要地阐述电池壳体材料的选择原则、制作工艺和环境保护等。2.1.4.1 锂离子电池设计的一般程序
锂离子电池的设计包括性能设计和结构设计，所谓性能设计是指电压、容量和寿命的设计。而结构设计是指电池壳、隔膜、电解液和其他结构的设计。设计的一般程序分为下面三步。
①第一步，对各种给定的技术指标（工作电压、电压精度、工作电流、工作时间、比容量、寿命和环境温度等）进行综合分析，找出关键问题。
②第二步，进行性能设计，根据需要解决的关键问题，在以往积累的实验数据和生产经验的基础上，确定合适的工作电流密度，选择合适的工艺类型，以期望做出合理的电压及其他性能设计。根据实际所需要的容量，确定合适的设计容量，以确定活性物质的比例容量。选择合适的隔膜材料、壳体材质等，以确定设计寿命。选材问题应根据电池要求在保证成本的前提下尽可能地选择新材料。当然这些设计之间要综合考虑，不可偏废任何一方面。
③第三步，进行结构设计，包括外形尺寸的确定，单体电池外壳的设计，电解液的设计，隔膜的设计以及导电网、极柱、气孔的设计等。对于电池组还要进行电池组合、电池外壳、内衬材料以及加热系统的设计。
设计中应着眼于主要问题，对次要问题进行折中和平衡，最后确定合理的设计方案。2.1.4.2 锂离子电池设计的要求
电池设计是为满足对象（用户或仪器设备）的要求进行的。因此，在进行电池设计前，必须详尽地了解对象对电池性能指标及使用条件的要求，一般包括以下几个方面：电池工作电压及要求的电压精度；电池的工作电流；电池的工作时间；电池的工作环境；电池的最大允许体积和重量。
选择电池材料组装AA型锂离子电池的设计要求：在放电态下的欧姆内阻不大于40Ω；电池1C放电时，视不同的正极材料而定，如LiCoO的比容量不小于135mA·h/g；电池2C放电容量不小于1C放电2容量的96％；在前30次1C充放电循环过程中，3.6V以上的容量不小于电池总容量的80％；在前100次1C充放电循环过程中，电池的平均每次容量衰减不大于0.06％；电池充放电时置于135℃的电炉中不发生爆炸。
按照AA型锂离子电池的结构设计和组装的电池，经实验测试，若结果达到上述要求，则说明进行的结构设计合理、组装工艺过程完善，在进行不同正极材料的电极性能研究时，就可按此结构设计与工艺过程组装电池。若结果达不到上述要求，则说明结构设计不够合理或工艺过程不够完善，需要进行反复优化，直至实验结果符合上述要求。
锂离子电池由于其优异的性能，被越来越多地应用到各个领域，特别是一些特殊场合和作为特种器件应用。因此，对于电池的设计还有一些特殊要求，比如振动、碰撞、重物冲击、热冲击、过充电、短路等。
同时电池的设计还需要考虑，电极材料的来源、电池性能、影响电池特性的因素、电池工艺、经济指标及环境问题等因素。2.1.4.3 锂离子电池的性能设计
在明确了设计任务和做好有关准备后，即可进行电池设计。根据电池用户要求，电池设计的思路有两种：一种是为用电设备和仪器提供额定容量的电源；另一种则只是给定电源的外形尺寸，研制开发性能优良的新规格电池或异形电池。
锂离子电池设计主要包括参数计算和工艺制定，具体步骤如下。（1）确定组合电池中单体电池的数目、单体电池工作电压和工作电流密度
根据要求确定电池组的工作总电压、工作电流等指标，选定电池系列，参照该系列的伏安曲线（经验数据或通过实验所得），确定单体电池的工作电压与工作电流密度。（2）计算电极总面积和电极数目
根据要求的工作电流和选定的工作电流密度，计算电极总面积（以控制电极为准）。
根据要求的电池外形最大尺寸，选择合适的电极尺寸，计算电极数目。（3）计算电池容量
根据要求的工作电流和工作时间计算额定容量。额定容量=工作电流×工作时间（4）确定设计容量设计容量=额定容量×设计系数
其中设计系数是为保证电池的可靠性和使用寿命而设定的，一般取1.1～1.2。（5）计算电池正、负极活性物质的用量
①计算控制电极的活性物质用量，根据控制电极的活性物质的电化学当量、设计容量及活性物质利用率，计算单体电池中控制电极的物质用量。
②计算非控制电极的活性物质用量
单体电池中非控制电极的活性物质用量，应根据电极活性物质用量来决定。为了保证电池有较好的性能，一般应过量，通常取系数为1～2。锂离子电池通常采用负极碳材料过剩，系数取1.1。（6）计算正、负极板的平均厚度
根据容量要求来确定单体电池的活性物质用量。当电极物质是单一物质时，则
如果电极活性物质不是单一物质而是混合物时，物质的用量与密度应换成混合物质的用量与密度。（7）隔膜材料的选择与厚度、层数的确定
隔膜的主要作用是使电池的正、负极分隔开来，以防止两极接触而短路。此外，还应具有使电解质离子通过的功能。隔膜材质本身是不导电的，但其物理化学性质对电池的性能有很大影响。锂离子电池经常使用的隔膜有聚丙烯和聚乙烯微孔膜（Celgard公司生产的系列隔膜已在锂离子电池中广泛应用）。对于隔膜的层数及厚度要根据隔膜本身性能及具体设计电池的性能与要求来确定。（8）确定电解液的浓度和用量
根据所选择的电池体系特征，结合具体设计电池的使用条件（如工作电流、工作温度等）或根据经验数据来确定电解液的浓度和用量。常用锂离子电池的电解液体系有1mol/L LiPF/PC-DEC（1:1），PC-6DMC（1:1）和PC-MEC（1:1）或1mol/L LiPF/PC-DEC（1:1），EC-6DMC（1:1）和EC-EMC（1:1）。其中，PC为碳酸丙烯酯，EC为碳酸乙烯酯，DEC为碳酸二乙酯，DMC为碳酸二甲酯，EMC为碳酸甲乙酯。（9）确定电池的装配比及单体电池容器尺寸。电池的装配比需根据所选定的电池特性及设计电池的电极厚度等情况确定，一般控制为80％～90％。
根据用电器对电池的要求选定电池后，再根据电池壳体材料的物理性能和力学性能，以确定电池容器的宽度、长度及壁厚等。特别是随着电子产品的薄型化和轻量化，电池的占用空间也愈来愈小，这就要求选定更为先进的电极材料，制备比容量更高的电池。2.1.4.4 锂离子电池的结构设计
从设计要求来说，由于电池壳体选定为AA型（ф14mm×50mm），则电池结构设计主要是指电池盖、电池组装的松紧度、电极片的尺寸、电池上部空气室的大小、两极物质的配比等。对它们的设计是否合理直接影响到电池的内阻、内压、容量和安全性等性能。（1）电池盖的设计
根据锂离子电池的性能可知，在电池充电末期，阳极电压高达4.2V以上。如此高的电压很容易使不锈钢或镀镍不锈钢发生阳极氧化反应被腐蚀，因此传统的AA型Ni-Cd、Ni-MH电池所使用的不锈钢或镀镍不锈钢盖不能用于AA型锂离子电池。考虑到锂离子电池的正极集流体可以使用铝箔而不发生氧化腐蚀，所以在保留AA型Ni-Cd电池盖的双层结构及外观的情况下，用金属铝代替电池盖的镀镍不锈钢底层，然后把该铝片和镀镍不锈钢上层卷边包合，使其成为一个整体，同时在它们之间放置耐压为1.0～1.5MPa的乙丙橡胶放气阀。通过实验证实，重新设计的电池盖不但密封性、安全性好，而且耐腐蚀，容易和铝制正极极耳焊接。（2）装配松紧度的确定
装配松紧度的大小主要根据电池系列的不同，电极和隔膜的尺寸及其膨胀程度来确定。对AA型锂离子电池来说，电极的膨胀主要由正负极物质中的乙炔黑和聚偏氟乙烯（PVDF）引起，由于其添加量较小，吸液后引起的电极膨胀亦不会太大；充放电过程中，由于Li+在正极材料（如LiCoO）和电解液中的嵌/脱而引起的电极膨胀也十2分小；电池的隔膜厚度仅为25μm，其组成为Celgard 2300PP/PE/PP三层膜，吸液后其膨胀程度也较小。综合考虑以上因素，锂离子电池应采取紧装配的结构设计。通过电芯卷绕、装壳及电池注液实验，并结合电池解剖后极粉是否脱落或粘接在隔膜上等结果，可确定AA型锂离子电池装配松紧度为η=86％～92％。2.1.4.5 电池保护电路设计
为防止锂离子电池过充，锂离子电池必须设计有保护电路。保护电路需要满足以下基本要求。
①充电时要充满，终止充电电压精度要求在±1％左右。
②在充、放电过程中不过流，需设计有短路保护装置。
③达到终止放电电压时要禁止继续放电，终止放电电压精度控制在±3％左右。
④对深度放电的电池（不低于终止放电电压）在充电前以小电流方式预充电。
⑤为保证电池工作稳定可靠，防止瞬态电压变化的干扰，其内部应设计有过充电、过放电、过流保护的延时电路，以防止瞬态干扰造成的不稳定现象。
⑥自身耗电省（在充、放电时保护器均应是通电工作状态）。单节电池保护器耗电一般小于10μA，多节的电池组一般在20μA左右。
⑦保护器电路简单，外围元器件少，占用空间小，一般可制作在电池或电池组中。
⑧保护器的价格低。2.1.4.6 锂离子电池的组装
按照电池的结构设计和设计参数，如何制备出所选择的电池材料并将其有效地组合到一起，组装成符合设计要求的电池，是电池生产工艺所要解决的问题。由此可见，电池的生产工艺是否合理，关系到所组装电池是否符合设计要求，是影响电池性能最重要的步骤。表2-3列出了石墨/LiCoO系圆柱形锂离子电池制造工艺的有关参数。2表2-3 石墨/LiCoO系圆柱形锂离子电池制造工艺的有关参数2
其中正负极浆料的配制及正、负极的涂布、干燥、辊压等制备工艺、电芯的卷绕对电池性能影响最大，是锂离子电池制造技术中的最关键步骤。为防止金属锂在负极集流体上的铜部位析出而引起安全问题，需要对极片进行工艺改进，铜箔的两面需用碳浆涂布。
下面对这些工艺过程进行简要介绍。图2-3为卷绕式锂离子电池的生产工艺流程。图2-3 卷绕式锂离子电池的生产工艺流程
由图2-3可知，锂离子电池生产工艺的主要工序如下。
①制浆。用专用的溶剂和胶黏剂分别与粉末状的正负极活性物质混合，经高速搅拌均匀后，制成浆状的正负极材料。
②涂布。将制成的浆料均匀地涂抹在金属箔的表面，烘干，分别制成正、负极极片。
③装配。按正极片-隔膜-负极片-隔膜的顺序自上而下放好，经卷绕制成电池芯，再经注入电解液、封口等工艺过程，即可完成电池的装配过程，制成成品电池。
④化成。用专业的电池充放电设备对成品电池进行充放电测试，对每一只电池都进行检测，筛选出合格的成品电池。2.1.5 锂离子电池对正、负极材料的要求2.1.5.1 锂离子电池对正极材料的要求
锂离子电池正极材料不仅作为电极材料参与电化学反应，而且可+作为锂离子源。能作为锂离子电池的正极活性材料，相对于Li/Li的电位如图2-4所示。+图2-4 锂离子电池正极活性材料及放电电位（相对于Li/Li）
由图2-4可知，大多数可作为锂离子电池的活性正极材料是含锂的过渡金属化合物，而且以氧化物为主。锂离子电池正极材料一般为嵌入化合物（Intercalation Compound，也有人称之为插入化合物，在本书中为了便于与锂插入石墨层间的插入和脱插行为区分开来称之为嵌入或脱嵌），作为理想的正极材料，锂嵌入化合物应具有以下性能。n+
①金属离子M在嵌入化合物LiMX中应有较高的氧化还原电xyz位，从而使电池的输出电压较高。
②在嵌入化合物LiMX中大量的锂能够发生可逆嵌入和脱嵌，xyz以得到高容量，即x值尽可能大。
③在整个嵌入/脱嵌过程中，锂的嵌入和脱嵌应可逆，且主体结构没有或很少发生变化，这样可确保良好的循环性能。
④氧化还原电位随x的变化应该尽可能小，这样电池的电压不会发生显著变化，可保持较平稳的充电和放电。
⑤嵌入化合物应有较好的电子电导率（σ）和离子电导率e（），这样可减少极化，并能进行大电流充、放电。
⑥嵌入化合物在整个电压范围内应化学稳定性好，不与电解质等发生反应。
⑦锂离子在电极材料中有较大的扩散系数，便于快速充放电。
⑧从实用角度而言，插入化合物应该具有便宜，对环境无污染等特点。2.1.5.2 锂离子电池对负极极材料的要求
自从锂离子电池诞生以来，研究的有关负极材料主要有以下几种：石墨化碳材料、无定型碳材料、氮化物、硅基材料、锡基材料、新型合金、纳米氧化物和其他材料。作为锂离子电池负极材料，要求具有以下性能。
①锂离子在负极基体中的插入氧化还原电位尽可能低，接近金属锂的电位，从而使电池的输出电压高。
②在基体中大量的锂能够发生可逆插入和脱插，以得到高容量密度，即x值尽可能大。
③在整个插入/脱插过程中，锂的插入和脱插应可逆，且主体结构没有或很少发生变化，这样可确保良好的循环性能。
④氧化还原电位随x的变化应该尽可能小，这样电池的电压不会发生显著变化，可保持较平缓的充电和放电。
⑤插入化合物应有较好的电子电导率（σ）和离子电导率e（），这样可减少极化，并能进行大电流充放电。
⑥主体材料具有良好的表面结构，能够与液体电解质形成良好的固体电解质界面膜（Solid Electrolyte Interface，简称SEI膜）。
⑦插入化合物在整个电压范围内具有良好的化学稳定性，在形成SEI膜后不与电解质等发生反应。
⑧锂离子在主体材料中有较大的扩散系数，便于快速充放电。
⑨从实用角度而言，主体材料应该便宜，对环境无污染等。2.2 正极材料2.2.1 正极材料概述
在过去的二十年里，锂离子电池得到了迅猛发展，应用范围扩展到民用与军事领域。由于环境、能源等矛盾凸显，社会对非燃油交通工具的呼声增加，合适的电池是电动汽车（EV）与混合电动汽车（HEV）发展的关键，因为EV远距离行驶要依赖足够高能量密度的电池，而HEV则要依赖功率密度足够大的电池。正极材料是锂离子电池的重要组成部分之一，影响其性能和成本（约为40％～46％），如图2-5。因此，正极材料的选择和研究对锂离子电池具有非常重要的作用，有助于扩大其范围。图2-5 正极材料比容量与放电电压关系图及锂电池成本构成示意图
在锂离子充、放电过程中，正极材料不仅要提供正、负极嵌锂化合物往复嵌入/脱嵌所需要的锂，而且还要负担负极材料表面形成SEI膜所需的锂。表2-4为正极材料的基本类型。表2-4 正极材料的基本类型
此外，正极材料在锂离子电池中占有较大比例（正、负极材料的质量份为3:1～4:1），故正极材料的性能在很大程度上影响电池的性能，并直接决定电池的成本。大多数可作为锂离子电池的活性正极材料是含锂的过渡金属化合物，而且以氧化物为主。目前已用于锂离子电池规模生产的正极材料为LiCoO。2
可作为锂离子正极材料的氧化物，常见的有锂钴氧化物（lithium cobalt oxide）、锂镍氧化物（lithium nickel oxide）、锂锰氧化物（lithium manganese oxide）和钒的氧化物，其他正极材料如铁的氧化物、其他金属的氧化物、5V正极材料（指放电平台在5V附近的正极材料，目前有两种：尖晶石、结构LiMnMO和反尖晶石2-xx4V[LiM]O，M=Ni，Co）以及多阴离子正极材料（目前研究的主要为4LiFePO磷酸亚铁锂）等也进行了研究。在这几种正极材料的原材料4中，钴最贵，其次是镍，最便宜的为锰和钒，因此正极材料的价格基本上也与该市场行情一致。这些正极材料的结构主要是层状结构和尖晶石结构。2.2.2 层状结构正极材料LiCoO2
1958年W.D.Johnston等提出了钴酸锂（LiCoO）的晶体结构，21979年Goodenough发明了锂离子嵌入式正极活性材料LiCoO。由于2LiCoO材料的制备工艺简单、倍率性能好、性能稳定等优点，目前2已被广泛商业化应用。LiCoO具有α-NaFeO结构，属六方晶系，空22间群为，如图2-6所示。其中6c位上的O为立方密堆积，3a位的Li和3b位的Co分别交替占据其八面体孔隙，在[111]晶面方向上呈层状排列，a=0.2816nm，c=1.4056nm，c/a比一般为4.991。但是实际+3+上由于Li和Co与氧原子层的作用力不一样，氧原子的分布并不是理想的密堆结构，而是有所偏离，呈现三方对称性。在充电和放电过程中，锂离子可以从所在的平面发生可逆脱嵌/嵌入反应。由于锂离子在键合强的CoO层间进行二维运动，锂离子电导率高，扩散系数2-9-72为10～10cm/s。另外，共棱的CoO八面体分布使Co与Co之间以6Co—O—Co形式发生相互作用，电子电导率σ也比较高。e图2-6 层状LiCoO结构2-3
LiCoO为半导体，室温下的电导率为10S/cm，电子导电占主导2-12-112作用。锂在LiCoO中的室温扩散系数为10～10cm/s，锂完全脱2出对应的理论比容量为274mA·h/g，但是实际容量只有理论容量的一+半，约为140mA·h/g，因为Li从LiCoO中最多嵌入和脱出0.5个单元。x2当x等于或大于0.5时，LiCoO的结构将发生变化，钴离子从原来平x2面迁移出去，导致电池的不可逆容量减少很多。故在实际应用的锂离子电池中，0≤x≤0.5，LiCoO具有平稳的电压平台（3.9V），此时设2置的电池电压上限为4.2V时，电池容量损失小，结构稳定性好。当充+电电压大于4.3V（vs.Li/Li）时会出现结构坍塌，造成实际容量为理论容量的一半。
LiCoO正极材料常用固相法制备。固相反应一般是在高温下进2行的。但是在高温条件下离子和原子通过反应物、中间体发生迁移需要活化能，对反应不利，必须延长反应时间，才能制备出电化学性能比较理想的电极材料。此外，采用的制备方法还有溶液法、溶胶-凝胶法、沉降法、喷雾干燥法等。LiCoO晶体结构内阳离子无序严2重，电化学性能差，高温热处理有助于提高材料性能。为了克服固相反应的缺点，可以采用溶胶-凝胶法、喷雾分解法、冷冻干燥旋转蒸发法、超临界干燥法和喷雾干燥法等方法进行改性。这些方法的优点+3+是Li、Co间接触充分，基本上实现了原子级水平的反应。低温下制备的LiCoO介于层状结构与尖晶石LiCoO结构之间，由于阳离2224子的无序度大，电化学性能差，因此层状LiCoO的制备还需在较高2的温度下进行热处理。至于加热方式，可以采用微波、红外等，这样有利于反应产物的均匀和产品质量的稳定。
虽然LiCoO是目前主要的商业化正极材料，但是钴元素是国家2战略资源，储存量有限，而且钴的价格昂贵、有毒性，对电池成本控制、广泛应用和环境保护不利。另外，纯相LiCoO材料性能还不尽2如人意，其充电截止电压大于4.3V，循环性能很差。为了进一步改善LiCoO的性能或降低材料成本，可以对LiCoO材料进行体相掺杂和22表面包覆处理。主要的掺杂元素有：Li、Mn、Mg、Al、Ni和稀土元素等。Uchida等研究表明，在LiCoO中掺入20％的Mn，可以有效地2提高材料的可逆性和循环寿命。Chung等研究了Al掺杂对LiCoO微结2构的影响，认为Al掺杂可以有效地抑制Co在4.5V时的溶解，以及减小+了Li嵌入时c轴和a轴的变化，提高了材料的稳定性。Mg掺杂可以提高LiCoO材料的电子电导率，但并未提高材料的高倍率充放电性2能，反而有所降低。主要的表面处理材料有：MgO、AlO、SnO等232氧化物，例如LiCoO材料被MgO包覆后，其结构稳定性得到提升，2充电电压达到4.3V、4.5V，其可逆容量分别为145mA·h/g和175mA·h/g；包覆AlO后，可以有效防止LiCoO中的Co溶解，提高材料结构232稳定性。
总之，LiCoO材料是目前商品化应用最主要的锂离子电池正极2材料，具有许多优点：加工容易、循环性能好、热稳定性好等。但是，LiCoO的安全性能差，价格昂贵，并且有毒性，所以在大型动力电2池中应用少，主要应用于小容量电池。为了进一步适应新时代对电极材料和电池的要求，对LiCoO材料的相关研究工作还在进行中。2
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]