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鋰離子電池有什么正極材料?

鉅大LARGE  |  點擊量:961次  |  2021年03月12日  

鈷酸鋰(LCO):適合小型電池,實際容量不高


鈷酸鋰是第一代商業化正極材料,在幾十年的發展中逐漸改性和提高,可以認為是最成熟的鋰離子電池正極材料。鈷酸鋰具有放電平臺高、比容量較高、循環性能好、合成工藝簡單等優點。但該材料含鈷較多,成本較高。


鈷酸鋰仍是小型鋰離子電池的最佳選擇。目前在3C電子電池中,大多數仍使用鈷酸鋰而并非比容量更高的三元材料,原因是鈷酸鋰材料的壓實密度大于三元材料,即單位體積內能容納的鈷酸鋰量更多。在更為重視體積密度的小型電池中,鈷酸鋰占有著一席之地。


鈷酸鋰理論容量高,但實際容量卻只有理論的一半。原因是在充電過程中鋰離子要從鈷酸鋰材料中脫出,但脫出量小于50%時,材料的形態和晶型可以保持穩定。隨著鋰離子脫出量增大至50%時,鈷酸鋰材料將發生相變,假如此時繼續充電,鈷將溶解在電解液中并出現氧氣,嚴重影響電池循環穩定性和安全性能,因此一般的鈷酸鋰充電截止電壓為4.2V。


磷酸鐵鋰(LFP):能量密度低,安全性突出


磷酸鐵鋰是目前廣受關注的正極材料之一,理論比容量為170mAh/g,實際比容量可達150mAh/g以上。其重要特點是成本低廉,安全性非常好,循環壽命高,這些特點使得磷酸鐵鋰材料迅速成為研究熱點,磷酸鐵鋰離子電池也在電動汽車領域有了廣泛的應用。


磷酸鐵鋰的缺點也較為明顯,即能量密度低。原因有兩點:


一是磷酸鐵鋰材料的電壓僅有3.3V左右,低于其他正極材料,這使得磷酸鐵鋰離子電池儲存能量較低;二是磷酸鐵鋰導電性較差,要納米化并進行包覆才能獲得良好的電化學性能,這使得材料變得蓬松,壓實密度較低。兩者綜合用途,使得磷酸鐵鋰離子電池的能量密度低于鈷酸鋰和三元電池。因此磷酸鐵鋰離子電池重要應用于電動大巴車及少量乘用車中。


磷酸鐵是否近期將被淘汰?近期新能源汽車安全事故頻發,被認為將很快被三元材料取代的磷酸鐵鋰再次進入人們的視野,人們希望通過對磷酸鐵鋰進行改性提高其容量。目前已有學者通過在磷酸鐵鋰中摻入Mn元素使其擁有更高的電壓和更高的能量密度,也有相關研究通過復合技術將磷酸鐵鋰與NCM三元材料進行混合,在保持三元素電池較高能量密度的同時可以有效提升其安全性能。


三元材料(NCM、NCA):性能可調控,道路如何抉擇?


三元材料是與鈷酸鋰結構極為相似的鋰鎳鈷錳氧化物(LiNixCoyMn1-x-y02)的俗稱,這種材料在比能量、循環性、安全性和成本方面可以進行均衡和調控。鎳鈷錳三種元素的不同配置將為材料帶來不同的性能:鎳含量新增將新增材料的容量,但會使循環性能變差;鈷的存在可使材料結構更加穩定,但含量過高會使容量降低;錳的存在可以降低成本并改善安全性能,但含量過高則會破壞材料的層狀結構,因此找到三種材料的比例關系以達到綜合性能最優化,是三元材料研發的重點。常見配比有NCM111、523、622、811等。NCA(LiNio.8C0015Ah0502)則是將其中的錳元素用鋁元素來替代,一定程度上改善材料的結構穩定性,但其鋁含量較少,可近似看成是一種二元材料。


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