那些是常见锂电池正极材料？

导读:随着锂离子电池">锂离子电池的不断发展,应用领域也在逐渐的扩大,其在正极材料的使用方面已经由单一化向多元化的方向转变,其中包括:橄榄石型磷酸亚铁锂、层状钴酸锂、尖晶石型锰酸锂等等,实现多种材料的并存.在锂电池正极材料当中,最常用的材料有钴酸锂,锰酸锂,磷酸铁锂和三元材料(镍钴锰的聚合物).

一、三元材料(NCM、NCA):性能可调控,道路如何抉择?

三元材料是与钴酸锂结构极为相似的锂镍钴锰氧化物(LiNixCoyMn1-x-y02)的俗称,这种材料在比能量、循环性、安全性和成本方面可以进行均衡和调控.镍钴锰三种元素的不同配置将为材料带来不同的性能:镍含量增加将增加材料的容量,但会使循环性能变差;钴的存在可使材料结构更加稳定,但含量过高会使容量降低;锰的存在可以降低成本并改善安全性能,但含量过高则会破坏材料的层状结构,因此找到三种材料的比例关系以达到综合性能最优化,是三元材料研发的重点.常见配比有NCM111、523、622、811等.NCA(LiNio.8C0015Ah0502)则是将其中的锰元素用铝元素来替代,一定程度上改善材料的结构稳定性,但其铝含量较少,可近似看成是一种二元材料.

二、磷酸铁锂(LFP):能量密度低,安全性突出

磷酸铁锂是目前广受关注的正极材料之一,理论比容量为170mAh/g,实际比容量可达150mAh/g以上.其主要特点是成本低廉,安全性非常好,循环寿命高,这些特点使得磷酸铁锂材料迅速成为研究热点,磷酸铁锂电池也在电动汽车领域有了广泛的应用.

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.

三、钴酸锂(LCO):适合小型电池,实际容量不高

钴酸锂是第一代商业化正极材料,在几十年的发展中逐渐改性和提高,可以认为是最成熟的锂离子电池正极材料.钴酸锂具有放电平台高、比容量较高、循环性能好、合成工艺简单等优点.但该材料含钴较多,成本较高.

钴酸锂仍是小型锂电池的最佳选择.目前在3C电子电池中,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.

小结:正极材料是决定锂离子电池性能的关键材料之一,也是目前商业化锂离子电池中主要的锂离子来源,其性能和价袼对锂离子电池的影响较大.

正极材料是决定锂离子电池性能的关键材料之一,也是目前商业化锂离子电池中主要的锂离子来源,其性能和价袼对锂离子电池的影响较大.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(NCM)和镍钴铝酸锂(NCA)等.