林德军

摘要：由于锂离子电池具有工作电压高、环境适应性强、安全性能好、使用寿命常等等优点，因此目前已被广泛应用于手机、笔记本电脑、数码相机、摄像机、汽车、航天设备等诸多民用、军事领域。锂离子电池主要有电解液、正负极材料、隔膜等材料制备而成，其中正极材料在锂离子电池中占据最为重要的位置，因此正极材料的优劣，直接影响着锂离子电池的各方面性能指标。所以说，我们对锂离子电池正极材料的要求展开研究与探讨。

关键词：锂离子电池；正极材料；发展趋势

锂离子电池相较于其他的电池而言，其优势在于其能量密度大、高比容量、电池寿命长、较为环保等。现阶段锂离子电池已经被广泛的应用于电子产品、新能源汽车的电池和风力发电、水力发电中的储电设备。随着社会的发展，对锂电池的要求越来越高，而正极材料的性质是锂电池发展的关键。而正极材料需要符合下面条件（1）电池的容量较大、充放电过程稳定（2）充放电过程的动力学平缓。（3）充放电过程锂离子可逆性强。下面对现有的四种正极材料进行了研究，并对锂离子正极材料发展趋势进行了预测。

一、锂离子电池常用的正极材料分析

通常情况下，锂离子电池都会选用过渡性金属氧化物作为正极材料，主要原因是过渡金属有混合价态，导电性较为优越，并且还不容易发生歧化反应。从理论上来看，只要是具备层状结构以及尖晶石结构的导电材料，都可以作为锂离子电池的正极材料，然而受制備工艺的制约，当前常用的锂离子电池正极材料主要为锰、钴、镍的氧化物。

（一）锰酸锂

锰酸锂又可以细分为层状结构的（LiMn02）和尖晶石结构的（LiMn04），这两种结构的锰酸锂都可以作为锂电池的正极材料，其具有安全性能高、耐过充性好等优势，并且世界上的锰资源较为丰富，因此其价格较低，可以说是当前使用最为广泛、最有发展前途的正极材料之一。但LiMn04在使用过程中存在John-Teller效应，充放电过程中极易产生结构畸形变化，从而导致容量大幅度下降，尤其是在高温环境下使用，容量下降的更为明显。锰酸锂材料具有安全性能好、低温性能好，但由于本身材料不太稳定，一般混合其他材料中使用，降低电芯成本，主要应用与大中号电芯、动力电池。

（二）磷酸铁锂

LiFePO4具有橄榄石晶体结构，其理论比容量达到170mAh/g，产品实际比容量可超过140 mAh/g（0.2C，25°C），并且具有较为稳定的放电平台，其最主要的缺点在振实密度低，但这却不妨碍其成为锂离子电池正极材料的重要替代材料，毕竟其还具有理论比容量高、环境适应性强、价格低廉、热稳定性好、工作电压适中、无毒等等显著优点。磷酸铁锂材料存在振实密度低，低温性能差，电池一致性不佳等缺点。相对而言，LiFePO4是一种较为经济、实用的锂电池正极材料，一般用于动力电池市场。

目前，LiFePO4最常用的制备方式是采用高温固相法制备粉体，除此之外，还可以采用溶胶-凝胶法或者是水热法等，都可以制备出颗粒细致、较高纯度的LiFePO4粉体。

（三）钴酸锂

LCO正极材料是由JohnB.Goodenough 首次提出，并且由Sony首先将其并成功商业化。优点是工作电压高、放电平稳、比能量高、循环性能好等优点。主要的缺点是成本高（由于Co元素的价格高）。钴酸锂产品性能稳定，一致性好、加工性能好。目前大家都在不断提高钴酸锂的工作电压，4.4V钴酸锂已经量产，4.45V、4.48V钴酸锂正在研发中。

（四）三元材料

三元材料现在主要有NCM（镍钴锰）、NCA（镍钴铝）。

产品特点：成本低廉，高克容量（>150mAh/g），工作电压与现有电解液匹配（4.1V），安全性好，平台相对钴酸锂，锰酸锂较低，但考虑到其压实，克容量等综合性能，其应用前景很好。常见的镍钴锰比列为111/523 /622/811；1C克容量以湖南锂科提供的测试数据分别为 145 /152 /162/175 mAh/g；极片制作压实大于3. 4 . 根据鑫椤资讯的数据2018年年产量万吨级以上的企业有：宁波金和、当升科技、长远锂科、贵州振华、厦门钨业、湖南杉杉。

二、锂离子电池正极材料的未来发展趋势分析

（一）复合正极材料能够提升材料的电化学性能

锂电池正极材料选择时，无论是单纯使用锂化物材料、还是导电聚合物等，都会存在一定的缺点和不足之处，从而影响到正极材料的电导率、比容量、工作电压等电化学性能，因此具体使用时可以根据材料性能加入一些添加剂，以弥补单纯正极材料的不足，提高其电化学性能。比如说，LiFePO4具有颗粒细、黏度低、比表面大等物理性质，所以其体积密度比较小，具体使用时我们可以在其制备的正极材料中添加体积小、密度高的炭以及有机粘结剂，而经研究发现，经过高温合成、并用炭包覆且添加了金属粉末的LiFePO4正极材料具有更高的电导率和可逆容量。

（二）离子掺杂、金属氧化物涂层提高材料性能

离子掺杂主要是将金属元素铝（Al）、铬（Cr）、镁（Mg）在氧位掺杂到过渡金属和非金属元素中，将导电性好的金属离子掺杂到正极材料中，改善锂离子扩散速率、导电率、电化学性能，提高稳定性，需深入研究掺杂改性的具体作用机理，以便更好地利用掺杂提高材料性能。金属氧化物的涂层（Al2O3，B2O3，TiO2，ZrO2），因为他们的机械和化学稳定性可以减少结构变化和与电解质的副反应，增强稳定性，甚至对深循环性能特性有一定改善。

（三）导电聚合物是一种很有前途的正极材料

除金属氧化物可以作为锂电池的正极材料外，还可以采用导电聚合物作为锂电池的正极材料，并且导电聚合物正极材料还具有加工性能良好、不易发生内部短路等优势，同时使用它之后电机的比表面更大、比功率也更加高，所以说导电聚合物在锂电池正极材料制造中同样具有较强的竞争力和发展前景。

（四）三元材料前景看好

从2018年工信部公布首批推荐目录以来，市场内的锂电企业从推荐目录的差别中，灵敏地嗅到了新的商机——三元材料电池将成为主流。如比亚迪、国轩高科、力神等部分大企业在2018年年初都纷纷开始布局三元材料的产能。从上游原材料企业和中游锂电企业的加大三元材料的产能布局以及国家对新能源汽车的能量密度要求逐年提高，未来三元材料的市场比重将有望持续提升。

结语：

总的来说，锂电池在我们生产生活中的应用越来越广泛，随着其发展，我们也会提出容量、环境适应性、电压等各方面的要求。鉴于锂电池正极材料在其电化学性能方面的重要作用，我们必须加强对正极材料的研究和开发，争取研发出经济性更高、实用性更强、环保性更优的正极材料，为进一步促进锂电池的发展和应用奠定坚实的基础。

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（作者单位：湖南长远锂科有限公司）