锂离子电池正极材料有哪些 锂电池正极材料的发展趋势介绍

锂离子电池正极材料有哪些

锂离子电池由正极、负极、电解质、电解质盐、胶粘剂、隔膜、正极引线、负极引线、中心端子、绝缘材料、安全阀、正温度系数端子(PTC端子)、负极集流体、正极集流体、导电剂、电池壳等部件组成。

锂离子电池的正极材料是含锂的过渡金属氧化物、磷化物如LiCoO2、LiFePO4等，导电聚合物如聚乙炔、聚苯、聚吡咯、聚噻吩、活性聚硫化合物等;嵌锂化合物正极材料是锂离子电池的重要组成部分。正极材料在锂离子电池中占有较大比例，因此正极材料的性能将很大程度地影响电池的性能，其成本也直接决定电池成本高低。

目前正极材料的研究主要集中于氧化锂钴、氧化锂镍等电极材料，与此同时，一些新型正极材料(包括导电高聚物正极材料)的兴起也为锂离子电池正极材料的发展注入了新活力，寻找开发具有高电压、高比容量和良好循环性能的锂离子电池正极材料新体系是本领域重要研究内容。

LiCoO2正极材料

LiCoO2具有三种物相，即a-NaFeO2型层状结构的LiCoO2、尖晶石结构的LT-LiCoO2和岩盐相LiCoO2。层状LiCoO2氧原子采用畸变立方密堆积序列，钴和锂分别占据立方密堆积中的八面体(3a)和(3b)位置;尖晶石结构的LiCoO2中氧原子为理想立方密堆积排列，锂层中含有25%的的钴原子，钴层中含有25%锂原子;岩盐相晶格中Li+和Co3+随机排列，无法清晰地分辨出锂层和钴层。

目前在锂离子电池中应用较多的是层状结构的LiCoO2，其具有工作电压高、充放电电压平稳，适合大电流充放电，比能量高、循环性能好等优点，锂离子在键合强的CoO2层间进行二维运动，锂离子电导率高，扩散系数为10-9～10-7cm2·s-1，其理论容量为274 mAh·g-1，实际比容量为140 mAh·g-1左右。由于其具有生产工艺简单和电化学性能稳定等优势，所以是ZUI先实现商品化的正极材料。

LiNiO2正极材料

理想LiNiO2晶体具有与LiCoO2类似的a-NaFeO2型层状结构。LiNiO2的理论容量为275mAh/g，实际容量已达190-210 mAh/g。与LiCoO2相比，LiNiO2具有价格和储量上的优势。但LiNiO2在实际的生产和应用中还存在较多问题，为此，人们对LiNiO2的合成方法及掺杂改性方面进行了大量的研究。

LiNiO2存在的合成困难、结构相变和热稳定性差等缺点，其根源都与LiNiO2的内在结构有关。对LiNiO2进行元素掺杂以改善其结构，是提高LiNiO2比容量、改善循环性能以及稳定性的有效手段。

Li-Mn-O系正极材料

由于锰资源丰富、价格低廉、无毒无污染，被视为ZUI具发展潜力的锂离子电池正极材料。Li-Mn-O系正极材料存在尖晶石型LiMn2O4和层状LiMnO2两种类型。

尖晶石型LiMn2O4具有安全性好、易合成等优点，是目前研究较多的锂离子电池正极材料之一。但LiMn2O4存在John-Teller效应，在充放电过程中易发生结构畸变，造成容量迅速衰减，特别是在较高温度的使用条件下，容量衰减更加突出。

LiFePO4正极材料

LiFePO4正极材料是一类新型的锂离子电池用正极材料。由于铁资源丰富、价格低廉并且无毒，因此LiFePO4是一种具有良好发展前景的锂离子电池正极材料。LiFePO4具有高的能量密度、低廉的价格、优异的安全性使其特别适用于动力电池。它的出现是锂离子电池材料的一项重大突破，成为各国竞相研究的热点。

导电高聚物正极材料

锂离子电池中，除了可以用金属氧化物作为其正极材料外，导电聚合物也可以用作锂离子电池正极材料。

目前研究的锂离子电池聚合物正极材料有：聚乙炔、聚苯、聚吡咯、聚噻吩等，它们通过阴离子的搀杂、脱搀杂而实现电化学过程。但这些导电聚合物的体积容量密度一般较低，另外反应体系中要求电解液体积大，因此难以获得高能量密度。

DMcT作为锂离子电池的正极材料，在比能量方面有着优势，但其在室温下的电化学氧化还原的速度较慢，所以不能满足电池的大电流放电的要求。

锂电池正极材料的发展趋势

目前国内动力型锂电池主要以铁系和三元系为主，近两年磷酸铁锂和三元材料成为锂电池正极材料中增长最快的两种材料。2016年两者的出货量增速均超过45%，具体来看，磷酸铁锂的产量(含企业自产)5.7 万吨，同比增长75%，磷酸铁锂大幅增长主要受动力电池及储能锂电池带动。三元材料产量5.43 万吨，同比增长49%，增长主要受新能源乘用车、锂电自行车、中低端数码锂电池等市场带动，其中，磷酸铁锂目前在正极材料生产总量中占比最大，2016 年占比达到35.27%。

受政策及终端长续航里程诉求等影响，新能源汽车动力电池对电池能量密度要求不断提高，国内企业在高能量密度电池技术上加大投入，乘用车用三元电池比例上升。随着国家对锂电池能量密度的要求不断提高，并且三元材料本身安全性问题得到逐步改善，预计未来三元材料会成为锂电池的主流。