锂离子电池正极材料中的极化子现象理论计算研究进展

叶耀坤，胡宗祥，刘佳华，林伟成，陈涛文，郑家新，潘锋

北京大学深圳研究生院新材料学院，广东 深圳 518055

1 引言

锂离子电池具有能量密度高、寿命长、无记忆效应、无污染产物等优点，目前已在智能手机、移动电源、笔记本电脑、电动汽车等领域得到广泛应用1,2。然而，锂离子电池的性能仍有待进一步改善和提高。例如，特斯拉等品牌电动汽车频繁报导的自燃事件引发了人们关于锂离子电池安全性的担心。随着电子设备的日益多样化和电动汽车的日益普及化，人们对于高性能(如能量密度高、充放电速度快、安全性能好等)锂离子电池的需求日益增长。为改善和提高锂离子电池的电化学性能，研究学者分别从正极材料、负极材料、电解液、隔膜等角度入手，开展了大量科学研究3–5。

正极材料是锂离子电池最为重要的组成部分，其结构类型多样，最典型的是以LiCoO2为代表的层状结构、以LiFePO4为代表的橄榄石结构和以LiMn2O4为代表的尖晶石结构，如图1所示。尽管它们因自己独特的优点已经在商业化上取得了成功，但都还存在显著的不足。LiCoO2理论容量高、导电性能好；但由于其在完全脱锂所需要的高电压下呈现出的结构不稳定性，其实际容量大约只能达到理论容量的一半6，且钴价格昂贵、具有毒性。LiFePO4具有良好的结构稳定性和安全性；但其电子导电性能差，长期以来人们需要采用碳包覆和纳米化等策略来提高其导电性能7–9。LiMn2O4具有价格低、安全性能好等优点；但它在循环过程中由于存在高自旋3d4的Mn3+，会引发Jahn-Teller畸变，进而产生结构相变和容量快速衰减；……