淺談鋰離子電池正極材料的應(yīng)用

陳嘉

摘 要：鋰離子電池最早于1990年研究成功，截止到目前，已經(jīng)在各類電子產(chǎn)品中得到了應(yīng)用，作為一種新能源電池，鋰離子電池有著理想的性價(jià)比與綜合性能，應(yīng)用范圍涵蓋到筆記本電腦、移動(dòng)電話、武器設(shè)備、攝錄機(jī)等等，在儲能、航天、電動(dòng)汽車領(lǐng)域中，也逐漸展露頭角。本文主要針對鋰離子電池正極材料的應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；正極材料；應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，手機(jī)、筆記本電腦、攝像機(jī)等電子產(chǎn)品迅速發(fā)展起來，對優(yōu)性能鋰離子電池的需求量一直保持持續(xù)增長趨勢。而電池由正極材料、負(fù)極材料、隔膜、電解液等部分組成，其中對鋰離子電池性能影響最大的是正極材料。

1 鋰離子電池正極材料結(jié)構(gòu)

目前鋰離子電池常使用的正極材料主要是鋰過渡金屬氧化物，主要包括以下三種結(jié)構(gòu)：

1.1 六方層狀結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)最常用的材料包括三元材料和LiCoO2、LiNiO2、Ni、Co、Mn復(fù)合氧化物。其中鈷酸鋰主要應(yīng)用于國內(nèi)小型鋰電池正極材料，具有穩(wěn)定的電化學(xué)性能、高密度振實(shí)、易于合成等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 尖晶石結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)最常用的材料為LiMn2O4，可逆容量高，安全性能好、放點(diǎn)平穩(wěn)且成本較低。但它在充放電時(shí)容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，容量衰減嚴(yán)重等現(xiàn)象。其作用與三元材料相差不大，主要應(yīng)用于小型鋰電池和部分電動(dòng)自行車和電動(dòng)工具中。

1.3 橄欖石結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)最常用的材料為LiFePO4等，其優(yōu)點(diǎn)有很多，如結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高、安全性能好、原料來源廣泛、是環(huán)境友好型正極材料，甚至標(biāo)志著“鋰離子電池一個(gè)新時(shí)代的到來”。主要應(yīng)用于電動(dòng)工具盒、電動(dòng)汽車領(lǐng)域。

2 鋰離子電池正極材料的應(yīng)用

2.1 鋰離子電池正極材料中三元材料的應(yīng)用

三元材料的市場價(jià)值主要體現(xiàn)在小型鋰電池市場和動(dòng)力鋰電池市場。在小型鋰電池市場中，利用三元材料的高電化學(xué)容量、較好的循環(huán)性能和安全性能等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于各種便攜式電子產(chǎn)品中。而在動(dòng)力鋰電池市場中，三元材料的市場價(jià)值主要體現(xiàn)在汽車行業(yè)中，突出優(yōu)點(diǎn)是其具有較低的成本，較高的安全性能。但另一方面，當(dāng)溫度處于50℃以上時(shí)，會(huì)造成電池容量衰減速度高，循環(huán)性能變差，導(dǎo)致電池使用壽命變短。

2.2 鋰離子電池正極材料中鈷酸鋰的應(yīng)用

近年來，為了提高鈷酸鋰的比容量，可以通過表面修飾改性和摻雜提高其充電電壓的方法。但是經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)研究表明，表面修飾改性的方法不能使其表面性質(zhì)完全改變，并不能解決高電壓下鈷酸鋰晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的問題。而體相摻雜，提高充電電壓就可以增加其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可逆比容量。

2.3 鋰離子電池正極材料對電解液的量的需求

不同種類的電池電芯對電解液量有不同的需求。合適的電解量對電池性能尤其是電池容量、電池循環(huán)性能和電池抗過充電性能的由著非常重要的影響。

經(jīng)研究表明，隨著電池電解液量的升高，電池容量也增加，進(jìn)而趨緩至基本恒定，而電池的循環(huán)性能和抗過充電性能都對電解液量的要求十分嚴(yán)格，電解液過多或過少都會(huì)造成電池循環(huán)性能的降低，合適的電解液量也不會(huì)造成電池因過充電而造成的殼體破裂，短路甚至起火等狀況。

2.4 鋰離子電池正極材料的不同NP值對電池性能的影響

NP值為電池負(fù)極使用量，不同的NP值會(huì)嚴(yán)重影響電池容量和電池循環(huán)性能。經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，電池負(fù)極使用量NP增加會(huì)致使電池正極材料的容量呈現(xiàn)出先上升再下降的狀態(tài)，穩(wěn)定性降低，進(jìn)而降低電池整體的安全性能。所以在電池設(shè)計(jì)中要依據(jù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備參數(shù)和條件等參數(shù)來不斷調(diào)整優(yōu)化NP值，使電池性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

3 鋰離子電池正極材料的發(fā)展趨勢

結(jié)合我國現(xiàn)階段電池使用情況，可以看出鋰離子電池正極材料行業(yè)蓬勃發(fā)展，并將長期處于快速增長階段。

總體來說，鈷酸鋰具有振實(shí)密度高、容量高、循環(huán)性能好、電導(dǎo)率高等優(yōu)勢，是電池中首選的正極材料，具有一定的發(fā)展?jié)摿?。但是鈷是稀有金屬，價(jià)格高，而且有一定的毒性，污染環(huán)境，在一定程度上限制了其發(fā)展；錳酸鋰在高溫下容量衰減較快，這是目前急需解決的問題，另一方面，它成本低，無污染，還是具有很大的發(fā)展空間；磷酸鐵鋰價(jià)格低，較高的安全性和循環(huán)穩(wěn)定性，但其較低的電導(dǎo)率和振實(shí)密度限制了發(fā)展，時(shí)目前電池正極材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)，也是動(dòng)力電池中首選的正極材料；三元材料也具有較高的能量密度、安全性能和循環(huán)穩(wěn)定性，而且成本較低，因此它在正極材料中的使用量比重增長迅速。

隨著智能手機(jī)和筆記本電腦等電子產(chǎn)品的高速發(fā)展，對電池的需求量越來越高，而鋰離子電池憑借其優(yōu)異的性能，使其產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，甚至已經(jīng)牢牢占據(jù)了二次電池的高端市場，其正極材料也必將有較大發(fā)展。

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