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）且在反復的充放電過程中，因鋰離子的反復嵌入和脫出，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LiMnO2。該正極材料的理論容量為286 mAh/g，實際容量為已達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)之間反復變化，從而引起電極體積的反復膨脹和收縮，導致電池循環(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，每個字母對應的都是相關(guān)元素的化學首字母。一個基礎事實是，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及鋰離子的離子電導都有直接關(guān)系，所以以不同手段提高電子電導及離子電導是提高材料的關(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率。

陽離子不等價態(tài)摻雜：摻雜價態(tài)更低的離子會導致過度元素的價態(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。

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，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。主要供應商有住友金屬（Sumitomo）、日本化學產(chǎn)業(yè)株式會社和戶田化學（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，需要從電芯設計、電源系統(tǒng)設計、電源使用等環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)可靠的安全設計。

（2）充放電過程存在嚴重的產(chǎn)氣，這會導致電池鼓脹變形，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行嚴格控制。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到140mAh.g^–1以上，并且結(jié)構(gòu)不被破壞，與LiCoO₂的比容量相當；

（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