锂离子电池正极材料知识

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正极是金属氧化物,负极由多孔石墨构成。在放电过程中,锂离子通过电解质和隔膜从负极移动到正极;充电时,锂离子沿着相反的方向从正极流向负极。
正极材料是锂离子电池中主要的锂离子来源,动力电池的正极材料是其能量密度的短板。目前研制成功并得到应用的正极材料主要有钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料镍钴锰酸锂和镍钴铝酸锂等。
锂离子电池常用的正极材料有锰酸锂,钴酸锂,磷酸铁锂以及三元材料等,常用的负极材料包括碳材料及硅基材料等。
1、钴酸锂

目前应用最广泛的锂离子电池正极材料,具有开路电压高、比能量大、循环寿命长等特点;生产的锂离子电池重要用于通讯数码类电池领域。钴价格昂贵,钴酸锂的毒性较大。目前技术上,容量已几乎发挥到极限。受资源等制约,有被替代之势。

钴酸锂仍是小型锂电池的最佳选择。目前在3C锂电池中,大多数仍使用钴酸锂而并非比容量更高的三元材料,原因是钴酸锂材料的压实密度大于三元材料,即单位体积内能容纳的钴酸锂量更多。在更为重视体积密度的小型电池中,钴酸锂占有着一席之地。

钴酸锂理论容量高,但实际容量却只有理论的一半。原因是在充电过程中锂离子要从钴酸锂材料中脱出,但脱出量小于50%时,材料的形态和晶型可以保持稳定。随着锂离子脱出量增大至50%时,钴酸锂材料将发生相变,如果此时继续充电,钴将溶解在电解液中并产生氧气,严重影响电池循环稳定性和安全性能,因此一般的钴酸锂充电截止电压为4.2V。

2、磷酸铁锂

磷酸铁锂是目前广受关注的最具潜力的锂离子电池正极材料之一,理论容量相对较高,价格低、热稳定性好、无污染,优良的充放电循环性能。目前只有少数厂家掌握制备技术;重要用于动力锂电池领域。由于导电性能较差,需参杂其他材料,振实密度低,比容量相对较小,在小电池领域,同样尺寸电池只有现有电池容量的一半不到。工艺极特殊,制造难度大。配套电解液研发稍落后。对工艺要求极严,因动力锂电池一般由多个电池串并后组成,故对单个电池的一致性要求极高。

磷酸铁锂的缺点也较为明显,即能量密度低。原因有两点:

一是磷酸铁锂材料的电压仅有3.3V左右,低于其他正极材料,这使得磷酸铁锂电池储存能量较低;二是磷酸铁锂导电性较差,需要纳米化并进行包覆才能获得良好的电化学性能,这使得材料变得蓬松,压实密度较低。两者综合作用,使得磷酸铁锂电池的能量密度低于钴酸锂和三元电池。因此磷酸铁锂电池主要应用于电动大巴车及少量乘用车中。

磷酸铁是否近期将被淘汰?近期新能源汽车安全事故频发,被认为将很快被三元材料取代的磷酸铁锂再次进入人们的视野,人们希望通过对磷酸铁锂进行改性提高其容量。目前已有学者通过在磷酸铁锂中掺入Mn元素使其拥有更高的电压和更高的能量密度,也有相关研究通过复合技术将磷酸铁锂与NCM三元材料进行混合,在保持三元素电池较高能量密度的同时可以有效提升其安全性能。
3、镍酸锂:合成困难,目前量极少。

4、锰酸锂:研究已相对成熟,成本低,无污染,制备容易,安全性能好,理论容量低、循环性能较差,受电池体积小型化趋势的制约,重要用于动力锂电池、低成本电池领域。

5、镍钴锰酸锂(三元):电化学容量高、循环性能好、成本低、具有三元协同效应;重要用于通讯数码类成本相对较低的锂离子电池领域。目前生产工艺相对成熟。

锂离子电池正极材料知识插图
锂离子电池正极材料知识插图1

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