鋰離子電池的正極材料是什么

自鋰離子電池發(fā)明以來(lái)，作為一種理想的新型儲(chǔ)能電源電池，鋰離子電池一直是電池行業(yè)研究的熱點(diǎn)。那么，鋰離子電池的正極材料是什么呢?重要有LCo(鋰鈷氧化物)、LMO(鋰錳氧化物)、NCM(三元體系)、NCA(二元體系)和LFP(磷酸鐵鋰)。以下是他們的一些特點(diǎn):

鋰離子電池

1.鋰離子電池正極材料:LCo(硼酸鋰)

(1)氧化鈷鋰的優(yōu)點(diǎn):

1)優(yōu)異的電化學(xué)性能:每循環(huán)容量的平均衰減小于0.05%，第一次放電比容量為>135mAh/g，

3.6v一次放電平臺(tái)比>85%。

2)優(yōu)異的加工性能。

3)振動(dòng)密度高，有利于提高電池的比容量。

4)產(chǎn)品性能穩(wěn)定，一致性好。

5)工作電壓高，放電穩(wěn)定，比能高，循環(huán)性能好等。

6)適用于大流量放電和鋰離子包埋與剝離，是鋰離子電池的首選材料。

(2)氧化鈷鋰的缺點(diǎn):

1)LiCo02實(shí)際容量約為140ma穐/g,只有理論容量(274ma穐/g)的約50%。

2)在反復(fù)充放電過(guò)程中，由于鋰離子的反復(fù)插入和彈射，活性物質(zhì)經(jīng)過(guò)多次收縮和膨脹后結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致LiCo02的內(nèi)阻增大，容量減小。

2.鋰離子電池正極材料:LMO(錳酸鋰)

鋰離子電池正極材料LiMn204具有尖晶石結(jié)構(gòu)。其理論容量為148mAh/g，實(shí)際容量為90~120mAh/g。工作電壓范圍為3~4V。該陰極材料的重要優(yōu)點(diǎn)是:錳資源豐富，價(jià)格低廉，安全性高，制備方便。缺點(diǎn)是理論能力不高;物料在電解液中會(huì)慢慢溶解，即與電解液的相容性不是很好;在深度充放電過(guò)程中，材料容易發(fā)生晶格單元的變化，導(dǎo)致電池容量迅速衰減，尤其是在較高溫度下使用時(shí)。

3.鋰離子電池正極材料:NCM(三元系列)

NCM是指鎳、金剛石、錳按一定比例組成的正極材料。每個(gè)字母對(duì)應(yīng)相關(guān)元素的化學(xué)首字母。一個(gè)基本事實(shí)是，隨著鎳含量的新增，三元陰極材料的比容量新增，電池的能量密度新增。因此，在NCM電池中，根據(jù)三種材料的不同含量，NCM材料可以分為NCM111、NCM523、NCM622、NCM811等，后者的數(shù)量代表了三者的比例。隨著電池續(xù)航里程需求的新增，電池比能要求的提高，以及稀有金屬鉆探價(jià)格的上漲，高鎳系NCM811將成為未來(lái)重要的發(fā)展方向。

NCM的優(yōu)點(diǎn):比容量高，循環(huán)壽命長(zhǎng)，安全性能好，價(jià)格低廉

滑動(dòng)的缺點(diǎn):

1.材料的一次充放電效率低。

2.鋰層中陽(yáng)離子的混合對(duì)材料的第一充放電效率和循環(huán)穩(wěn)定性有影響。

3.該材料的放電電壓平臺(tái)高于LiCo0。低，要改進(jìn)。

離子摻雜改性

鋰離子電池的輸出功率直接與材料中的電導(dǎo)和鋰離子的離子電導(dǎo)有關(guān)。

陽(yáng)離子等效態(tài)摻雜:等效態(tài)摻雜不會(huì)改變材料原有的原子原子價(jià)，但一般可以穩(wěn)定材料的結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大離子通道，提高材料的離子電導(dǎo)率。

陽(yáng)離子非等效態(tài)摻雜:摻雜價(jià)態(tài)較低的離子會(huì)導(dǎo)致過(guò)量元素的價(jià)態(tài)新增，即出現(xiàn)空穴，改變材料的能帶結(jié)構(gòu)，大大提高材料的電導(dǎo)率。

陰離子摻雜技術(shù):陰離子摻雜在f-取代02中較為常見。氟離子相摻雜可以使材料的結(jié)晶度更好，從而提高材料的穩(wěn)定性。

表面涂層改性

利用金屬氧化物(A13O3、ZnO、ZrO等)修飾三元材料的表面，將材料與電解液進(jìn)行機(jī)械分離，減少材料與電解液之間的副反應(yīng)，抑制金屬離子的溶解，優(yōu)化材料的回收性能。

4.鋰離子電池正極材料:NCA(二進(jìn)制)

由于NCA材料的技術(shù)壁壘較高，目前的生產(chǎn)量力重要集中在日本和韓國(guó)，而我國(guó)的產(chǎn)量相對(duì)較小。重要供應(yīng)商包括住友、日本化學(xué)工業(yè)公司(chemicalindustrycorporation)和戶田公明(Toda)，而韓國(guó)的Ecopro和GSEM也銷售少量產(chǎn)品。

NCA電池在我國(guó)還沒(méi)有量產(chǎn)，重要的困難是:

(1)高鎳材料熱穩(wěn)定性差充電不足會(huì)導(dǎo)致電池安全的衰落,使電池制造商和最終用戶關(guān)心的安全NCA電池,并且要可靠的系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)方面的單元設(shè)計(jì),供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電源使用,等等。

(2)充放電過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重的氣體，導(dǎo)致電池膨脹變形，降低電池的循環(huán)和使用壽命，存在安全隱患。因此，NCA電池通常采用高壓圓柱形電池外殼，通過(guò)減少氣體的出現(xiàn)來(lái)控制電池的膨脹和變形。

(3)NCA要求在電池生產(chǎn)的整個(gè)過(guò)程中，濕度控制在10%以下，關(guān)于其他材料，只要在注液過(guò)程中嚴(yán)格控制濕度即可。這對(duì)國(guó)內(nèi)公司提出了巨大的挑戰(zhàn)。

5.鋰離子電池正極材料:LFP(磷酸鐵鋰)

LFP具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)氧離子與P5+通過(guò)強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合形成(PO)43+。即使在完全填充的狀態(tài)下，O原子也很難逃逸，從而提高了材料的穩(wěn)定性和安全性。

(2)低電流充放電時(shí)LFP的實(shí)際比容量可達(dá)140mAh以上。G-1，且結(jié)構(gòu)未受損，相當(dāng)于LiCoO2的比容量;

(3)安全性能好;

(4)循環(huán)性能好(100%DOD條件下充放電2000次以上);

(5)良好的過(guò)充電阻，有利于電池的組合使用;

(6)原料豐富，價(jià)格低廉;

(7)環(huán)保，不含對(duì)人體有害的重金屬元素;

(8)熱穩(wěn)定性好;

磷酸鐵鋰的缺點(diǎn):

(1)電子導(dǎo)電率低

(2)離子擴(kuò)散系數(shù)低

(3)固體密度低

(4)合成成本略高