鋰電池正極材料技術發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

時間：2020-06-19

鋰電池主要由正極材料、負極材料、隔膜和電解液等構成，其中，正極材料的性能直接影響了鋰電池的各項性能指標，且正極材料在鋰電池總成本中占據(jù)1/3以上的比例，因此正極材料在鋰電池中占據(jù)**地位，提高鋰離子電池正極材料的性能成為當今較為活躍的研究領域之一。

一、鋰電池正極材料技術發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

（一）鋰電池正極材料主要技術路線

在正極材料發(fā)展前進道路上，技術路線之爭一直不斷。目前，主流的正極材料包括鈷酸鋰（LCO）、錳酸鋰（LMO）、磷酸鐵鋰（LFP）和三元材料（NCM/NCA）等四大類，就能量密度、成本、安全性、熱穩(wěn)定性和循環(huán)壽命來看，它們各有千秋，這也導致鋰電池正極材料技術發(fā)展出現(xiàn)分化。

1、鈷酸鋰（LCO）是較早商業(yè)化的鋰電正極材料，優(yōu)點是充放電穩(wěn)定、生產(chǎn)工藝簡單，缺點是鈷價格昂貴、循環(huán)壽命較低、環(huán)境污染嚴重，主要用于小電池領域及手機和平板電腦等IT產(chǎn)品中，是消費電子產(chǎn)品領域的主流正極材料。

2、錳酸鋰（LMO）優(yōu)點是錳資源豐富、成本較低、環(huán)境友好、安全性較好，缺點是其能量密度較低、高溫性能差、容量衰減明顯，主要應用于小型鋰電和動力電池產(chǎn)品。

3、磷酸鐵鋰（LFP）優(yōu)點是安全性能好、循環(huán)壽命長、制造成本較低等，缺點主要是能量密度低、低溫性能較差、高倍率放電性能差（放電電壓低）等，主要應用于動力電池和儲能電池。

4、三元材料（NCM/NCA）優(yōu)點是能量密度高、容量大、穩(wěn)定性好，缺點是高溫性能差、安全性一般、制作工藝復雜、生產(chǎn)成本高，主要應用于動力電池產(chǎn)品，逐漸成為電動汽車的應用主流，近兩年其市場占比不斷提高。

總之，每種正極材料都有自己的優(yōu)勢和缺陷，有自身的應用領域和市場需求，**來發(fā)展看，能量密度的提升將是鋰離子電池正極材料的主要發(fā)展方向。

（二）動力鋰電池正極材料的技術現(xiàn)狀

新能源汽車對于動力鋰電池提出了較高的要求，能量密度、成本、安全性、熱穩(wěn)定性、循環(huán)壽命是動力廢舊鋰電池回收的5個關鍵性能指標。正極材料作為動力鋰電池的**，目前已大規(guī)模市場化應用的主要包括磷酸鐵鋰（LFP）、錳酸鋰（LMO）和三元材料[鎳鈷錳酸鋰（NCM）和鎳鈷鋁酸鋰（NCA）]三種類型。其中，磷酸鐵鋰和錳酸鋰材料在基礎研究方面已沒有太大技術突破空間，其能量密度和主要技術指標已接近應用極限。從技術進步的角度看，三元材料由于具有高能量密度、較長循環(huán)壽命、較高可靠性等優(yōu)點，逐漸成為動力鋰電正極材料的主流。

1、磷酸鐵鋰

磷酸鐵鋰（LiFePO4）材料具有原材料豐富、循環(huán)壽命長、安全性能好等諸多優(yōu)點。但是由于磷酸鐵鋰電池一致性和能量密度較低，制約了其在電動汽車領域的發(fā)展。目前，業(yè)界一般認為磷酸鐵鋰比較適于儲能系統(tǒng)，主要應用于基站和數(shù)據(jù)中心儲能、家庭儲能、風光電儲能等領域。

磷酸鐵鋰的改進主要集中在表面包覆、離子摻雜和材料納米化3個方面。隨著研究工作的深入，當前磷酸鐵鋰材料的實際容量已經(jīng)達到160mAh/g，十分接近170mAh/g的理論容量。如果材料的批次穩(wěn)定性和制備成本能夠進一步降低的話，該材料在儲能系統(tǒng)等領域將有廣闊的應用空間。

2、錳酸鋰

錳酸鋰材料具有資源豐富、成本低、無污染、安全性好、倍率性能好等優(yōu)點，是理想的動力電池材料，在產(chǎn)業(yè)化的進程中需要改善其較差的循環(huán)性能及電化學穩(wěn)定性。

近年來錳酸鋰的研究方向主要是改性錳酸鋰，通過表面修飾和摻雜改善其性能。錳酸鋰材料的技術開發(fā)以日韓兩國的技術成熟度較高，其錳酸鋰產(chǎn)品已達到現(xiàn)階段電動汽車動力鋰電池的使用要求。日產(chǎn)的Leaf純電動轎車采用了日本AESC公司的錳酸鋰離子電池，早期的雪弗蘭Volt也采用韓國LG化學的錳酸鋰離子電池。

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