鋰電池正極材料有哪些

自鋰電池被發(fā)明以來，由于其作為新能源儲能電源的理想電池，一直為電池行業(yè)研究的重點，發(fā)展到如今，鋰電池正極材料有哪些呢？主要有LCo（鈷酸鋰）、LMO（錳酸鋰）、NCM（三元系）、NCA（二元系）、LFP（磷酸鐵鋰）。下面就介紹一下它們各自的特性：

1、鋰電池正極材料：LCo（鉆酸鋰）

（1）鈷酸鋰的優(yōu)勢：

1）電化學(xué)性能優(yōu)越：每循環(huán)一周期容量平均衰減<0.05%，首次放電比容量>135mAh/g，

3.6V初次放電平臺比率>85%。

2）加工性能優(yōu)異。

3）振實密度大，有助于提高電池體積比容量。

4）產(chǎn)品性能穩(wěn)定，一致性好。

5）工作電壓高、放電平穩(wěn)、比能量高、循環(huán)性能好等優(yōu)點。

6）適合大流量放電和鋰離子的嵌入和脫出，在鋰離子電池中得到率先使用。

（2）鈷酸鋰的缺點：

1）LiCo02的實際容量約為140mA穐/g，只有理論容量（274mA穐/g）的約50%。

2）且在反復(fù)的充放電過程中，因鋰離子的反復(fù)嵌入和脫出，使活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)在多次收縮和膨脹后發(fā)生改變，導(dǎo)致LiCo02內(nèi)阻增大，容量減小。

2、鋰電池正極材料：LMO（錳酸鋰）

用于鋰離子電池正極材料的LiMn204具有尖晶石結(jié)構(gòu)。其理論容量為148mAh/g，實際容量為90~

120mAh/g。工作電壓范圍為3~4V。該正極材料的主要優(yōu)點為：錳資源豐富、價格便宜，安全性高，比較容易制備。缺點是理論容量不高；材料在電解質(zhì)中會緩慢溶解，即與電解質(zhì)的相容性不太好；在深度充放電的過程中，材料容易發(fā)生晶格崎變，造成電池容量迅速衰減，特別是在較高溫度下使用時更是如此。為了克服以上缺點，近年新發(fā)展起來了一種層狀結(jié)構(gòu)的三價錳氧化物L(fēng)iMnO2。該正極材料的理論容量為286 mAh/g，實際容量為已達(dá)200mAh/g左右。工作電壓范圍為3~4.5V。雖然與尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMn204相比，LiMnO2在理論容量和實際容量兩個方面都有較大幅度的提高，但仍然存在充放電過程中結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性問題。在充放電過程中晶體結(jié)構(gòu)在層狀結(jié)構(gòu)與尖晶石結(jié)構(gòu)之間反復(fù)變化，從而引起電極體積的反復(fù)膨脹和收縮，導(dǎo)致電池循環(huán)性能變壞。而且LiMnO2也存在較高工作溫度下的溶解問題。解決這些問題的辦法是對LiMnO2進(jìn)行摻雜和表面修飾。

3、鋰電池正極材料：NCM（三元系）

NCM是指正極材料由鎳鉆錳三種材料由一定比例組合而成，每個字母對應(yīng)的都是相關(guān)元素的化學(xué)首字母。一個基礎(chǔ)事實是，隨著鎳元素含量的升高，三元正極材料的比容量逐漸升高，電芯的能量密度也會隨之提高。因此，在NCM電池中，按照三者含量不同，NCM材料可分為NCM111、NCM523、NCM622、NCM811等，其中后面的數(shù)字代表的就是三者的比例。在對續(xù)航里程要求越來越高的需求下，電池的比能量需要更高，再加上作為稀有金屬的鉆價格不斷上漲之下，高鎳體系的NCM811將成為未來重要的發(fā)展方向。

NCM優(yōu)點：比容量高、循環(huán)壽命長、安全性能好、價格低廉

NCM缺點：

1.材料的首次充放電效率低.

2.鋰層中陽離子的混排，對材料的首次充放電效率及循環(huán)穩(wěn)定性都有影響.

3.材料的放電電壓平臺較LiCo0。低，有待提高.

離子摻雜改性

鋰離子電池的輸出功率與材料中的電子電導(dǎo)及鋰離子的離子電導(dǎo)都有直接關(guān)系，所以以不同手段提高電子電導(dǎo)及離子電導(dǎo)是提高材料的關(guān)鍵。

陽離子等價態(tài)摻雜：等價態(tài)摻雜后不會改變原來材料中原子的化合價，但是一般可以穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)，擴展離子通道，提高材料的離子電導(dǎo)率。

陽離子不等價態(tài)摻雜：摻雜價態(tài)更低的離子會導(dǎo)致過度元素的價態(tài)升高，即產(chǎn)生空穴，改變材料的能帶結(jié)構(gòu)，大幅提高材料的電子電導(dǎo)。

陰離子摻雜技術(shù)：陰離子摻雜多見于F-取代02，通過氟離子體相摻雜可以使材料的結(jié)晶度更好，從而增加材料的穩(wěn)定性。

表面包覆改性

用金屬氧化物（A13O3，ZnO，ZrO，等）修飾三元材料表面，使材料與電解液機械分開，減少材料與電解液副反應(yīng)，抑制金屬離子的溶解，優(yōu)化材料的循環(huán)性能。

同時表面包覆還可以減少材料在反復(fù)充放電過程中材料結(jié)構(gòu)的坍塌，對材料的循環(huán)性能是有益的。

4、鋰電池正極材料：NCA（二元系）

由于NCA材料的技術(shù)壁壘高，目前產(chǎn)能主要集中在日韓，我國量產(chǎn)較少。主要供應(yīng)商有住友金屬（Sumitomo）、日本化學(xué)產(chǎn)業(yè)株式會社和戶田化學(xué)（Toda），韓國的Ecopro和GSEM也有少量產(chǎn)品銷售。

NCA電池在中國還未能大量生產(chǎn)，主要的難點在于：

（1）高鎳材料荷電狀態(tài)下的熱穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致電池的安全性下降，使得電池生產(chǎn)企業(yè)和終端產(chǎn)品用戶對NCA電池的安全性心存顧慮，需要從電芯設(shè)計、電源系統(tǒng)設(shè)計、電源使用等環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)可靠的安全設(shè)計。

（2）充放電過程存在嚴(yán)重的產(chǎn)氣，這會導(dǎo)致電池鼓脹變形，循環(huán)及擱置壽命下降，電池存在安全隱患，所以通常采用耐壓的圓柱電池殼制作NCA電池，降低了產(chǎn)氣量以控制電池鼓脹變形問題。

（3）NCA要求在電池生產(chǎn)全過程均要控制濕度在10%以下，而其他材料目前只需注液工序?qū)穸冗M(jìn)行嚴(yán)格控制。這對國內(nèi)企業(yè)形成了很大的挑戰(zhàn)。

5、鋰電池正極材料：LFP（磷酸鐵鋰）

LFP有如下優(yōu)點：

（1）氧離子與P⁵⁺通過強的共價鍵結(jié)合形成（PO）₄³⁺，即便是在全充態(tài)，O原子也很難脫出，提高了材料的穩(wěn)定性和安全性；

（2）LFP在小電流充放電下實際比容量可以達(dá)到140mAh.g^–1以上，并且結(jié)構(gòu)不被破壞，與LiCoO₂的比容量相當(dāng)；

（3）安全性能好；

（4）循環(huán)性能好（在100%DOD條件下，可以充放電2000次以上）；

（5）耐過充性能好，有利于電池組合使用；

（6）原料來源豐富、價廉；

（7）環(huán)境友好，不含任何對人體有害的重金屬元素；

（8）熱穩(wěn)定性好；

磷酸鐵鋰的缺點：

（1）電子導(dǎo)電率低

（2）離子擴散系數(shù)低

（3）振實密度不高

（4）合成成本略高