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用于手機、筆記本電腦、數(shù)碼相機、攝像機、汽車、航天設備等諸多民用、軍事領域。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。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)被廣泛的應用于電子產(chǎn)品、新能源汽車的電池和風力發(fā)電、水力發(fā)電中的儲電設備。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)，導電性較為優(yōu)越，并且還不容易發(fā)生歧化反應。從理論上來看，只要是具備層狀結構以及尖晶石結構的導電材料，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構的（LiMn02）和尖晶石結構的（LiMn04），這兩種結構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，充放電過程中極易產(chǎn)生結構畸形變化，從而導致容量大幅度下降，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具有橄欖石晶體結構，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）復合正極材料能夠提升材料的電化學性能

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率、比容量、工作電壓等電化學性能，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、導電率、電化學性能，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穩(wěn)定性可以減少結構變化和與電解質(zhì)的副反應，增強穩(wěn)定性，甚至對深循環(huán)性能特性有一定改善。

（三）導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，還可以采用導電聚合物作為鋰電池的正極材料，并且導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。

結語：

總的來說，鋰電池在我們生產(chǎn)生活中的應用越來越廣泛，隨著其發(fā)展，我們也會提出容量、環(huán)境適應性、電壓等各方面的要求。鑒于鋰電池正極材料在其電化學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)展和應用奠定堅實的基礎。

參考文獻

[1] 伍發(fā)元，賈路，毛榮軍，皮元豐. 鋰離子電池正負材料的回收利用[J]. 電源技術. 2014（01）.

[2] 何敏，習小明，周友元. 二氧化錳還原法制備錳酸鋰材料及其性能研究[J]. 礦冶工程. 2014（04）.

[3] 墨柯. 鋰電市場發(fā)展回顧及趨勢預測[J]. 新材料產(chǎn)業(yè). 2015（09）.

[4] 劉洪權，鄭田田，郭倩穎，陳蘊博，谷亦杰. 鋰離子電池正極材料磷酸鐵鋰研究進展[J]. 稀有金屬材料與工程. 2012（04）.

（作者單位：湖南長遠鋰科有限公司）