電池性能角度下鋰離子電池正極材料及其發(fā)展趨勢

林德軍

摘要：由于鋰離子電池具有工作電壓高、環(huán)境適應(yīng)性強、安全性能好、使用壽命常等等優(yōu)點，因此目前已被廣泛應(yīng)用于手機、筆記本電腦、數(shù)碼相機、攝像機、汽車、航天設(shè)備等諸多民用、軍事領(lǐng)域。鋰離子電池主要有電解液、正負極材料、隔膜等材料制備而成，其中正極材料在鋰離子電池中占據(jù)最為重要的位置，因此正極材料的優(yōu)劣，直接影響著鋰離子電池的各方面性能指標(biāo)。所以說，我們對鋰離子電池正極材料的要求展開研究與探討。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；正極材料；發(fā)展趨勢

鋰離子電池相較于其他的電池而言，其優(yōu)勢在于其能量密度大、高比容量、電池壽命長、較為環(huán)保等。現(xiàn)階段鋰離子電池已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于電子產(chǎn)品、新能源汽車的電池和風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電中的儲電設(shè)備。隨著社會的發(fā)展，對鋰電池的要求越來越高，而正極材料的性質(zhì)是鋰電池發(fā)展的關(guān)鍵。而正極材料需要符合下面條件（1）電池的容量較大、充放電過程穩(wěn)定（2）充放電過程的動力學(xué)平緩。（3）充放電過程鋰離子可逆性強。下面對現(xiàn)有的四種正極材料進行了研究，并對鋰離子正極材料發(fā)展趨勢進行了預(yù)測。

一、鋰離子電池常用的正極材料分析

通常情況下，鋰離子電池都會選用過渡性金屬氧化物作為正極材料，主要原因是過渡金屬有混合價態(tài)，導(dǎo)電性較為優(yōu)越，并且還不容易發(fā)生歧化反應(yīng)。從理論上來看，只要是具備層狀結(jié)構(gòu)以及尖晶石結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電材料，都可以作為鋰離子電池的正極材料，然而受制備工藝的制約，當(dāng)前常用的鋰離子電池正極材料主要為錳、鈷、鎳的氧化物。

（一）錳酸鋰

錳酸鋰又可以細分為層狀結(jié)構(gòu)的（LiMn02）和尖晶石結(jié)構(gòu)的（LiMn04），這兩種結(jié)構(gòu)的錳酸鋰都可以作為鋰電池的正極材料，其具有安全性能高、耐過充性好等優(yōu)勢，并且世界上的錳資源較為豐富，因此其價格較低，可以說是當(dāng)前使用最為廣泛、最有發(fā)展前途的正極材料之一。但LiMn04在使用過程中存在John-Teller效應(yīng)，充放電過程中極易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)畸形變化，從而導(dǎo)致容量大幅度下降，尤其是在高溫環(huán)境下使用，容量下降的更為明顯。錳酸鋰材料具有安全性能好、低溫性能好，但由于本身材料不太穩(wěn)定，一般混合其他材料中使用，降低電芯成本，主要應(yīng)用與大中號電芯、動力電池。

（二）磷酸鐵鋰

LiFePO4具有橄欖石晶體結(jié)構(gòu)，其理論比容量達到170mAh/g，產(chǎn)品實際比容量可超過140 mAh/g（0.2C，25°C），并且具有較為穩(wěn)定的放電平臺，其最主要的缺點在振實密度低，但這卻不妨礙其成為鋰離子電池正極材料的重要替代材料，畢竟其還具有理論比容量高、環(huán)境適應(yīng)性強、價格低廉、熱穩(wěn)定性好、工作電壓適中、無毒等等顯著優(yōu)點。磷酸鐵鋰材料存在振實密度低，低溫性能差，電池一致性不佳等缺點。相對而言，LiFePO4是一種較為經(jīng)濟、實用的鋰電池正極材料，一般用于動力電池市場。

目前，LiFePO4最常用的制備方式是采用高溫固相法制備粉體，除此之外，還可以采用溶膠-凝膠法或者是水熱法等，都可以制備出顆粒細致、較高純度的LiFePO4粉體。

（三）鈷酸鋰

LCO正極材料是由JohnB.Goodenough 首次提出，并且由Sony首先將其并成功商業(yè)化。優(yōu)點是工作電壓高、放電平穩(wěn)、比能量高、循環(huán)性能好等優(yōu)點。主要的缺點是成本高（由于Co元素的價格高）。鈷酸鋰產(chǎn)品性能穩(wěn)定，一致性好、加工性能好。目前大家都在不斷提高鈷酸鋰的工作電壓，4.4V鈷酸鋰已經(jīng)量產(chǎn)，4.45V、4.48V鈷酸鋰正在研發(fā)中。

（四）三元材料

三元材料現(xiàn)在主要有NCM（鎳鈷錳）、NCA（鎳鈷鋁）。

產(chǎn)品特點：成本低廉，高克容量（>150mAh/g），工作電壓與現(xiàn)有電解液匹配（4.1V），安全性好，平臺相對鈷酸鋰，錳酸鋰較低，但考慮到其壓實，克容量等綜合性能，其應(yīng)用前景很好。常見的鎳鈷錳比列為111/523 /622/811；1C克容量以湖南鋰科提供的測試數(shù)據(jù)分別為 145 /152 /162/175 mAh/g；極片制作壓實大于3. 4 . 根據(jù)鑫欏資訊的數(shù)據(jù)2018年年產(chǎn)量萬噸級以上的企業(yè)有：寧波金和、當(dāng)升科技、長遠鋰科、貴州振華、廈門鎢業(yè)、湖南杉杉。

二、鋰離子電池正極材料的未來發(fā)展趨勢分析

（一）復(fù)合正極材料能夠提升材料的電化學(xué)性能

鋰電池正極材料選擇時，無論是單純使用鋰化物材料、還是導(dǎo)電聚合物等，都會存在一定的缺點和不足之處，從而影響到正極材料的電導(dǎo)率、比容量、工作電壓等電化學(xué)性能，因此具體使用時可以根據(jù)材料性能加入一些添加劑，以彌補單純正極材料的不足，提高其電化學(xué)性能。比如說，LiFePO4具有顆粒細、黏度低、比表面大等物理性質(zhì)，所以其體積密度比較小，具體使用時我們可以在其制備的正極材料中添加體積小、密度高的炭以及有機粘結(jié)劑，而經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過高溫合成、并用炭包覆且添加了金屬粉末的LiFePO4正極材料具有更高的電導(dǎo)率和可逆容量。

（二）離子摻雜、金屬氧化物涂層提高材料性能

離子摻雜主要是將金屬元素鋁（Al）、鉻（Cr）、鎂（Mg）在氧位摻雜到過渡金屬和非金屬元素中，將導(dǎo)電性好的金屬離子摻雜到正極材料中，改善鋰離子擴散速率、導(dǎo)電率、電化學(xué)性能，提高穩(wěn)定性，需深入研究摻雜改性的具體作用機理，以便更好地利用摻雜提高材料性能。金屬氧化物的涂層（Al2O3，B2O3，TiO2，ZrO2），因為他們的機械和化學(xué)穩(wěn)定性可以減少結(jié)構(gòu)變化和與電解質(zhì)的副反應(yīng)，增強穩(wěn)定性，甚至對深循環(huán)性能特性有一定改善。

（三）導(dǎo)電聚合物是一種很有前途的正極材料

除金屬氧化物可以作為鋰電池的正極材料外，還可以采用導(dǎo)電聚合物作為鋰電池的正極材料，并且導(dǎo)電聚合物正極材料還具有加工性能良好、不易發(fā)生內(nèi)部短路等優(yōu)勢，同時使用它之后電機的比表面更大、比功率也更加高，所以說導(dǎo)電聚合物在鋰電池正極材料制造中同樣具有較強的競爭力和發(fā)展前景。

（四）三元材料前景看好

從2018年工信部公布首批推薦目錄以來，市場內(nèi)的鋰電企業(yè)從推薦目錄的差別中，靈敏地嗅到了新的商機——三元材料電池將成為主流。如比亞迪、國軒高科、力神等部分大企業(yè)在2018年年初都紛紛開始布局三元材料的產(chǎn)能。從上游原材料企業(yè)和中游鋰電企業(yè)的加大三元材料的產(chǎn)能布局以及國家對新能源汽車的能量密度要求逐年提高，未來三元材料的市場比重將有望持續(xù)提升。

結(jié)語：

總的來說，鋰電池在我們生產(chǎn)生活中的應(yīng)用越來越廣泛，隨著其發(fā)展，我們也會提出容量、環(huán)境適應(yīng)性、電壓等各方面的要求。鑒于鋰電池正極材料在其電化學(xué)性能方面的重要作用，我們必須加強對正極材料的研究和開發(fā)，爭取研發(fā)出經(jīng)濟性更高、實用性更強、環(huán)保性更優(yōu)的正極材料，為進一步促進鋰電池的發(fā)展和應(yīng)用奠定堅實的基礎(chǔ)。

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（作者單位：湖南長遠鋰科有限公司）