鋰電池正極材料的發展趨勢有哪些?

鋰電池正極材料的發展趨勢有哪些?

自從70年代人們發現了可以嵌入鋰離子的TIS2金屬化合物，特別是90年代SONY采用可以嵌鋰的鈷酸鋰做陰極材料，石墨做陽極材料的鋰電池以來，鋰電池的負極材料一直是石墨類材料，錫類化合物和硅類化合物負極材料依然沒有獲得大的進展；但是正極材料已經從鈷酸鋰材料一枝度秀，到鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、磷鐵酸鋰材料齊頭并進的發展趨勢。

鈷酸鋰材料作為第一代商品化的鋰電池正極材料，還有許多不可取代的優點：材料的出產性能很好，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，是目前最成熟，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。但是其存在的價格昂貴、容量幾乎發揮到了極限、資源緊缺、安全性差等缺陷使得其必然在最近的5到10年內遭受被取代命運。今朝取代鈷酸鋰材料有兩個方向，一是在動力電池范疇，錳酸鋰和磷鐵酸鋰是最有希望的材料，二是在通訊電池范疇，鎳鈷鋰和鎳鈷錳鋰三元材料是最有希望代替鈷酸鋰的正極材料。

錳酸鋰材料是除鈷酸鋰外研究最早的正極材料，通過多年的研究，材料的性能得到較大的改善。其較高的安全性，低廉的價格，使其在動力電池范疇有廣闊的使用前景；但是其較低的比容量，較差的循環性能，特別是高溫循環性能使得其使用受到了較大的限制，雖然通過最近幾年的研究，循環性能得到一定的改善，但是高溫循環性能還沒有得到較好的處理，推遲了其大規模商業化的步伐。

磷鐵酸鋰材料是最近兩年才快速發展起來的正極材料，其低廉的價格，較高的安全性能，較好的結構穩定性，優越的循環性能使得其作為動力電池和備用電源范疇有廣闊的使用前景，大有取代錳酸鋰之趨勢。但是其也存在一些難易處理的問題，特別振實密度低，體積比容量低，電導率低，低溫放電性能差，倍率放電差等問題需要持續研究和改進。

近年來世界范圍內大量研究已經使其取得的較大的發展和進步，使其產業化的妨礙已經得到較大的緩解，材料的電導率研究取得了較大的進步，振實密度和體積比容量低對動力電池來說，也許不是問題，今朝問題的重點聚集在低溫性能和倍率放電方面。如果在最近的一兩年內，材料的低溫柔倍率性能取得沖破的話，磷鐵酸鋰的產業化指日可待。

從最近的探測看這個問題基本得到了很好的處理，今朝唯一的問題是密度低。在小型通訊電池范疇，最有可能代替鈷酸鋰的是鎳鈷酸鋰和鎳鈷錳酸三元材料，目前市場上還沒有大量出現此類材料，但是隨著電子范疇的快速發展，其對電池容量的要求也越來越高，必然推動高容量的鎳鈷類材料和鎳鈷錳三元材料的發展。

鎳鈷酸鋰材料是一種容量比較高的材料，其比容量比鈷酸鋰高出30%以上，而且和鈷酸鋰有相同的上下限電壓，比較容易規模化利用，價格相對便宜。當然材料也存在一些缺點，材料的合成相對困難，材料的密度相對較低，材料的電壓平臺較低，充放電效率較低，和電解液相容性和安全性差等缺陷，還有待處理，但是隨著研究的深入，產業化會在最近兩年內得到迅速發展。

鎳鈷錳三元材料是另一種高容量的正極材料，比容量可以達到180mAh/g以上，是非常有前途的正極材料。此材料不僅有比容量高的優點，而且安全性也相對較好，價格相對較低，與電解液的相容性好，循環性能優異，是最有可能在小型通訊和小型動力范疇同時使用的電池正極材料，甚至有在大型動力范疇使用的可能。但是材料也有自身的缺點，第一就是合成困難、合成條件苛刻、合成材料的穩定性差，第二是材料的電壓平臺相對較低，惟有3.55v左右，第三是材料的密度和鈷酸鋰相比，相對較低，第四是材料的充電電壓較高，達到了4.5v左右，與鈷酸鋰有較大的差別。但是此材料的高容量和高安全性是其他材料無法比擬的，必將最近的幾年內推向市場。因此，從目前的情況看，如果鈷酸鋰材料不尋求沖破，其在將來的幾年內，必被其他正極材料所代替。但是這是在鈷酸鋰材料的容量和安全性能沒有沖破的前提下的結論，如果鈷酸鋰材料在容量和安全性上有所沖破的話，其商業壽命可能會走的更遠。今朝鈷酸鋰在安全性和提高容量上正在尋找出路，也許通過包覆，會改善材料的表觀結構，可以提高電池的安全性和容量，但是進展很不明朗。

今朝的趨勢可以做如下的判斷：在通訊電池范疇，最近的3年內，鈷酸鋰依然是離子電池的主角，在以后5年內，可能是鈷酸鋰和鎳鈷錳三元材料共存的時代，5年后，可能是鎳鈷錳三元材料的時代。

在動力電池范疇，由于鈷酸鋰的安全問題和高昂的價格，使其一直在動力電池門外徜徉，始終沒有完全進入動力電池范疇。今朝的情況是鈷酸鋰和錳酸鋰小批量配合使用，但是由于其固有的缺陷，使得其始終沒有大批量的進行商業化運作，產品只是在小批量試加工階段，目前大規模的商業化運作還有一些難以克服的困難。在動力電池范疇磷酸基正極材料依其超長的循環壽命，極好的安全性能，較好的高溫性能，極其低廉的價格，而且低溫性能和倍率放電已經可以達到鈷酸鋰的水平等，使其成為最有希望的動力電池材料，其在將來的5年內可能會成鎳鎘電池的主要替代品，在將來的10年內會成為鉛酸蓄電池的有力競爭者，在將來的20年內可能會取代鉛酸蓄電池，成為主要的啟動電源、UpS電源

和后備電源，成為二次電池的老大。

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