鋰離子電池正極材料的要求

 

　　鋰離子電池的主要部件有正極、負(fù)極、電解液、隔膜等，鋰離子能量的存儲和釋放是以電極材料的氧化還原反應(yīng)形式實(shí)現(xiàn)的，正極活性物質(zhì)是鋰離子電池最為關(guān)鍵的核心材料。

 

　　一般而言，正極材料的關(guān)鍵性能指標(biāo)有：化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、粒度分布、振實(shí)密度、比表面積、pH值、首次放電比容量、首次充放電效率、循環(huán)壽命等。

 

　　在鋰離子電池正極材料的研究方面，美國學(xué)者“鋰電池之父”GOODENOUGH教授作出了巨大貢獻(xiàn)：1980年在英國牛津大學(xué)就職期間發(fā)現(xiàn)了鈷酸鋰可用作鋰電正極，次年他在LCO專利中提及鎳酸鋰作為正極材料的可行性；1983年，首次嘗試將錳酸鋰作為正極材料用于鋰離子電池；1997年，他又開發(fā)出橄欖石結(jié)構(gòu)正極材料——磷酸鐵鋰。此外，為了解決鎳酸鋰性能不穩(wěn)定問題，加拿大的DAHN教授和日本小槻勉教授進(jìn)行了大量的摻雜改性研究；1997年，日本戶田公司率先申請了最早的鎳鈷鋁酸鋰專利；1999年，新加坡大學(xué)的劉昭林、余愛水等人在鎳鈷酸鋰基礎(chǔ)上引入Mn改性，最早報導(dǎo)了鎳鈷錳酸鋰。

 

　　經(jīng)過近三十年的快速發(fā)展，基于上述科學(xué)家的研究成果，鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰、磷酸鐵鋰等正極材料陸續(xù)產(chǎn)業(yè)化，并被拓展用于眾多領(lǐng)域。隨著新能源汽車對高能量密度正極材料的需求，目前鎳鈷錳酸鋰三元材料已經(jīng)成為最重要、占比最大的正極材料。

 

　　正極是電池的核心部件，其優(yōu)劣直接影響電池性能。一般而言對正極活性物質(zhì)有如下要求：1、允許大量Li+嵌入脫出(比容量大)；2、具有較高的氧化還原電位(電壓高)；3、嵌入脫出可逆性好，結(jié)構(gòu)變化小(循環(huán)壽命長)；4、鋰離子擴(kuò)散系數(shù)和電子導(dǎo)電性高(低溫、倍率特性好)；5、化學(xué)/熱穩(wěn)定性高，與電解液相容性好(安全性好)；6、資源豐富，環(huán)境友好，價格便宜(成本低、環(huán)保)。

 

　　鋰離子電池體積能量密度很大程度上取決于活性物質(zhì)密度。正極材料的密度與其所含元素的原子量、晶體排布方式、結(jié)晶程度、球形度、顆粒大小及分布、致密度等密切相關(guān)，受制備工藝影響。正極材料的密度分為松裝密度、振實(shí)密度、粉末壓實(shí)密度、極片壓實(shí)密度、理論密度等。

 

　　鋰離子電池正極材料發(fā)展趨勢

 

　　憑借過去的高速增長，中國成為全球正極材料的主要市場。2014年中國正極材料同比增長20.24%，占全球市場的43.77%，雖然相對于2013年，所占比重有所下降，但仍為全球正極材料的第一大供應(yīng)國。

 

　　2014年中國正極材料供應(yīng)量占比的下滑，主要是因?yàn)樵谙M(fèi)類電池方面，全球主要的鋰離子電池生產(chǎn)商三星SDI和LG化學(xué)一直通過采購中國企業(yè)的正極材料產(chǎn)品來降低成本，在經(jīng)歷的持續(xù)幾年不斷的壓價之后，中國企業(yè)已經(jīng)難以承受，在這種情況下，他們開始自己生產(chǎn)正極材料，以求進(jìn)一步降低電池制造成本，由此導(dǎo)致中國正極材料供應(yīng)量占比的下滑。

 

　　2015年中國正極材料產(chǎn)量為10.65萬噸，占全球產(chǎn)量的47.67%，中國正極材料占比大幅提升，主要源于國內(nèi)新能源汽車爆發(fā)式增長，帶來磷酸鐵鋰、鎳鈷錳酸鋰出貨量的快速增加。