簡述鋰電池的正負極材料及優缺點

首先，我們來看看正極材料，正極材料的選擇，緊要基于以下幾個因素考慮：

1)具有較高的氧化還原反應電位，使鋰電池達到較高的輸出電壓；

2)鋰元素含量高，材料堆積密度高，使得鋰電池具有較高的能量密度；

3)化學反應過程中的結構穩定性要好，使得鋰電池具有長循環壽命；

4)電導率要高，使得鋰電池具有良好的充放電倍率性能；

5)化學穩定性和熱穩定性要好，不易分析和發熱，使得鋰電池具有良好的安全性；

6)價格便宜，使得鋰電池的成本足夠低；

7)制造工藝相對簡單，便于大規模加工；

8)對環境的污染低，易于回收利用。

當前，鋰電池的能量密度、充放電倍率、安全性等一些關鍵指標，緊要受制于正極材料。鈷酸鋰的商業化使用走的最早，第一代商業化使用的鋰電池就是SONY在1990年推向市場的鈷酸鋰電池，隨后在消費類產品中得到大規模使用。隨著手機、筆記本、平板電腦的大規模普及，鈷酸鋰一度是鋰電池正極材料中銷售量占比最大的材料。但其固有的缺點是質量比容量(不等同于能量密度)低，理論極限是274mAh/g，出于正極結構穩定性考慮，實際只能達到理論值的50%，即137mAh/g。同時，由于地球上鈷元素的儲量比較低，也導致鈷酸鋰的成本偏高，難以在動力鋰離子電池范疇大規模普及，所以鈷酸鋰正極材料將被其他材料逐步取代。

由于穩定性，安全性，材料合成困難等方面的缺點，鎳酸鋰的商業使用較少，市場上很少看到，這里不做論述。

錳酸鋰的商業化使用，緊要在動力鋰離子電池范疇，是鋰電池一個比較緊要的分支。如日產的leaf純電動轎車采用了日本AESC公司的錳酸鋰電池，早期的雪弗蘭Volt也采用韓國LG化學的錳酸鋰電池。錳酸鋰的突出優勢是成本低，低溫性能好，缺點是比容量低，極限在148mAh/g，且高溫性能差，循環壽命低。所以錳酸鋰的發展有分明的瓶頸，近年來的研究方向緊要是改性錳酸鋰，通過摻雜其他元素，改變其缺點。

磷酸鐵鋰材料在我國熱過一陣子，一方面受美國科研機構和公司在技術方面的帶動，另一方面受比亞迪在國內的產業化推動，前幾年國內的鋰電池公司在動力鋰離子電池范疇基本都以磷酸鐵鋰材料為主。但是隨著全球各國對鋰電池能量密度的要求越來越高，而磷酸鐵鋰的比容量理論極限是170mAh/g，而實際上只能達到120mAh/g左右，已經無法滿足當前和將來的市場需求。此外，磷酸鐵鋰的倍率性能一般，低溫特性差等缺點，也限制了磷酸鐵鋰的使用。最近比亞迪搞出了一個改性磷酸鐵鋰材料，把能量密度提升了不少，還未透露詳盡的技術細節，不知道摻雜了什么材料在里面。就產品使用范疇而言，電力儲能市場應當是磷酸鐵鋰電池的一個緊要市場，相對而言，這個市場對能量密度不是特別敏感，而對長壽命，低成本，高安全性電池的急切需求，正是磷酸鐵鋰材料的優點所在。

日韓公司在近幾年大力推動三元材料的使用，鎳鈷錳三元材料逐漸成為市場的主流，國內公司也采取跟隨策略，逐步轉向三元材料。三元材料的比容量較高，目前市場上的產品已經可以達到170~180mAh/g，從而可以將電池單體的能量密度提高到接近200Wh/kg，滿足電動車的長續航里程要求。此外，通過改變三元材料的配比(x，y的值)，還可以達到良好的倍率性能，從而滿足PHEV和HEV車型對大倍率小容量鋰電池的需求，這也正是三元材料大行其道的原由。從化學式可以看出，鎳鈷錳三元材料綜合了鈷酸鋰(LiCoO2)和錳酸鋰(LiMn2O4)的一些優勢，同時因為摻雜了鎳元素，可以提升能量密度和倍率性能。

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