我國鋰電池正極材料發展現狀介紹

所謂鋰電池是指分別用二個能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負極構成的二次電池。人們將這種靠鋰離子在正負極之間的轉移來完成電池充放電工作的，神奇機理的鋰電池形象地稱為“搖椅式電池”，俗稱“鋰電”。

自鋰電池大規模商用化以來，憑借其優異的性能，不斷攻城略地，現已牢牢占據二次電池的高端市場。但在較長一段時間內，世界鋰電池市場基本是日本一家獨霸的局面。最近幾年我國和韓國奮起直追，目前世界鋰電池市場已經呈現出中、日、韓三足鼎立的格局。鋰電池的發展呈現出多方向并舉的局面。

鋰電池的原材料緊要包括正負極材料、電解液、電極基材、隔離膜和罐材等。其中，正極材料是鋰電池中最為關鍵的原材料，由于正極材料在鋰電池中占有較大比例，因此它決定了電池的安全性能和電池能否大型化，同時由于鋰電池正極材料在電池成本中所占比例可高達40%左右，所以其成本也筆直決定電池成本的高低。應當說是鋰電池正極材料的發展引領了鋰電池的發展。

目前正在使用和開發的鋰電池正極材料中，以過渡金屬氧化物所表現出的性能最佳，緊要有：層狀鹽結構的鈷酸鋰、鎳鈷酸鋰、鎳錳酸鋰和鎳錳鈷酸鋰三元材料，尖晶石型的錳酸鋰，橄欖石型的磷酸鐵鋰等鋰錳氧化物。我國目前正極材料緊要包括鈷酸鋰、三元材料、錳酸鋰和磷酸鐵鋰。鈷酸鋰仍舊是國內小型鋰電范疇正極材料的主力，三元材料和錳酸鋰緊要在小型鋰電中使用，在電動自行車和電動工具中也有部分使用;磷酸鐵鋰目前緊要使用在電動工具盒電動車范疇。下面將幾種常見的正極材料的緊要特點解析如下：

1、鈷酸鋰

鈷酸鋰由于具有加工工藝簡單和電化學性能穩定等優點，所以最先實現商品化。同時由于鈷酸鋰具有工作電壓高、充放電電壓平穩，適合大電流充放電，比能量高、循環性能好等優勢，在要小型充電電池的范疇中具有緊要使用。鈷酸鋰正極材料的缺點是價格昂貴，實際比容量僅為其理論容量的274mAh/g的50%左右;鈷酸鋰的循環壽命已達到1000次，但仍有待于進一步提高;此外鈷酸鋰的抗過充電性能較差，在較高充電電壓下比容量迅速降低。目前我國的鈷酸鋰緊要是中粒徑為10-12微米的產品，各緊要鋰電正極材料公司也紛紛推出了中粒徑在15-18微米的產品，預計鈷酸鋰會向高壓實和高安全性的方向發展。

2、三元材料

近幾年來層狀嵌鋰多元過渡金屬復合型正極材料發展迅速，尤其是含有鈷鎳錳三種元素的新型過渡金屬嵌鋰氧化物復合材料，可用通式表示為LiMnxNiyCo1-yO2(0

3、錳酸鋰

與鈷酸鋰和鎳酸鋰相比，錳酸鋰具有安全性好、耐過充性好、原料錳的資源豐富、價格低廉及無毒性等優勢，是很有發展前途的一種正極材料。層狀錳酸鋰用作鋰電池正極材料的缺點是雖然容量很高，但在高溫下不穩定，而且在充放電過程中易向尖晶石結構轉變，導致容量衰減過快。錳酸鋰在我國市場的使用還緊要定位在小型電池范疇，無法使用于高端范疇，更不能完全取代鈷酸鋰材料在小型鋰電的地位。經過多年的研究，錳酸鋰材料的性能得到了較大的改善，2007-2008年，國內已有多數公司已經開始穩定批量地使用錳酸鋰，錳酸鋰緊要與鈷酸鋰摻混使用于低端的鋼殼電池上，或者單獨用于動力鋰離子電池。目前國內錳酸鋰公司包括大型的正極材料加工公司都在積極的開發高溫循環改善的錳酸鋰材料。

4、磷酸鐵鋰

隨著動力鋰離子電池的發展，國內廠家大多傾向于采用磷酸鐵鋰材料。它是一類新型的鋰電池用正極材料。該類材料具有高的能量密度、低廉的價格、優異的安全性等特點，特別適用于動力鋰離子電池。它的出現是鋰電池材料的一項重大沖破，現已成為各國競相研究的熱點。目前磷酸鐵鋰被認為是最有發展前途的動力鋰離子電池正極材料。目前國內實現磷酸鐵鋰批量加工的公司有60多家，年產量3800噸。由于磷酸鐵鋰加工技術門檻很高，大多數加工廠商在批量加工時產品的穩定性難以保證。它的缺點是電阻率較大，電極材料利用率低。因此研究工作緊要聚集在處理其導電率問題上。此外磷酸鐵鋰的專利問題也是其產業過程中的一個要處理的問題。

表格1：常見鋰電池正極材料的性能比較

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數據來源：我國化學與物理電源行業協會、立本研究，2014

鈷酸鋰由于出產性能好，密度高，比容量相對較高，材料的結構穩定，循環性能好，材料的電壓平臺較高且比較穩定，是最成熟，也是唯一商業化的正極材料，在短時間內，特別是在通訊電池范疇還有不可取代的優點。但價格昂貴、資源緊缺、安全性差等缺陷使得其必然在5到10年內遭受被取代命運。但倘若鈷酸鋰材料在容量和安全性上有所沖破的話，其商業壽命可能會得到延續。最近3-5年內，鈷酸鋰的主導地位將會被逐漸弱化，可能出現鈷酸鋰和鎳鈷錳三元材料共存的現象，5年后，可能是鎳鈷錳三元材料獨霸的時代。因為早在2007-2008年，國內已有許多公司在鋁殼電池中批量摻混使用三元材料，摻混比例達到20-30%左右。隨著筆記本電腦對柱型電池需求的繼續上升，國內部分公司已經開始批量使用三元材料來加工2.0-2.2AH的第2代18650柱型電池。在動力鋰離子電池市場方面，華東地區已有不少公司開始使用三元材料使用于電動工具用的18650柱型電池上。

在動力鋰離子電池范疇，由于鈷酸鋰的安全問題和高昂的價格，使其一直在動力鋰離子電池門外徜徉，始終沒有完全進入動力鋰離子電池范疇。磷酸鐵鋰和一般鋰電池雖然同屬綠色環保電池，但是磷酸鐵鋰電池沒有過熱或爆炸等安全性顧慮，再加上其循環壽命是一般鋰電池的4-5倍，高于一般鋰電池8-10倍高放電功率(可瞬間出現大電流)，加上同樣能量密度下重量約較一般鋰電池減輕30-50%，因此為汽車制造商所高度重視，發展前景廣闊。但由于磷酸鐵鋰的一致性問題和專利問題，其在動力鋰離子電池的使用還處在由科研到市場的導入期，還要經受大規模商業化的考驗。

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