簡介鋰電池磷酸鐵鋰正極材料結(jié)構(gòu)和發(fā)展現(xiàn)狀
來源：寶鄂實業(yè)
2019-11-25 10:51
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隨著能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)的出現(xiàn)，鋰離子動力電池成為當(dāng)前研究的熱點。磷酸鐵鋰因其具有較高的理論容量、循環(huán)性能優(yōu)良、安全性高、成本低廉和環(huán)境友好等諸多優(yōu)點而備受關(guān)注。本文存能小編將來分析鋰電池磷酸鐵鋰正極材料結(jié)構(gòu)和發(fā)展現(xiàn)狀。
鋰電池磷酸鐵鋰正極材料結(jié)構(gòu)
正極材料主要包括LCO，尖晶石LMO，橄欖石LFP等晶體結(jié)構(gòu)。大多數(shù)正極材料研究集中在過渡金屬氧化物和聚陰離子化合物上，因為它們具有較高的電壓和較高的容量。
磷酸鐵鋰電池正極材料具有正交的橄欖石結(jié)構(gòu)，pnma空間群。LiFePO4結(jié)構(gòu)在c軸方向上是鏈?zhǔn)降模?個PO4四面體與1個FeO6八面體、2個LiO6八面體共邊，由此形成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
從結(jié)構(gòu)上看，PO4四面體位于FeO6層之間，這在一定程度上阻礙了鋰離子的擴(kuò)散運(yùn)動。此外，共頂點的FeO6八面體具有相對較低的電子傳導(dǎo)率。這使得磷酸鐵鋰只能在小的放電倍率下充放電，而在大倍率放電條件下，內(nèi)部的鋰離子來不及遷出，電化學(xué)極化就會很大。
磷酸鐵鋰電池正極材料的現(xiàn)狀
目前已大規(guī)模市場化應(yīng)用的主要包括磷酸鐵鋰、錳酸鋰和三元材料的鎳鈷錳酸鋰和鎳鈷鋁酸鋰三種類型。其中，磷酸鐵鋰和錳酸鋰材料在基礎(chǔ)研究方面已沒有太大技術(shù)突破空間，其能量密度和主要技術(shù)指標(biāo)已接近應(yīng)用極限。從技術(shù)進(jìn)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。
2016年全球鋰電池出貨量達(dá)到118GWh，其中動力鋰電池的出貨量由2011年的1.08GWh上升至2016年的40.52GWh，市場占比由2.32%上升至34.30%。
2017年，全球鋰離子電池的出貨量達(dá)到143.5Gwh，其中汽車動力鋰電池的出貨量達(dá)到58.1Gwh，儲能鋰電池出貨量達(dá)到11.0Gwh，其他傳統(tǒng)領(lǐng)域鋰電池出貨量達(dá)到74.4Gwh。
受鋰電池及其下游行業(yè)快速發(fā)展的驅(qū)動，磷酸鐵鋰電池正極材料增長較為迅猛，2016年全球鋰離子電池正極材料銷量達(dá)到31.74萬噸，同比增長42.1%，2011-2016年年均復(fù)合增長率為32.17%。從應(yīng)用結(jié)構(gòu)看，鋰電正極材料市場可以細(xì)分為小型鋰電正極材料市場和動力鋰電正極材料市場。小型鋰電正極材料主要包括鈷酸鋰、三元材料和錳酸鋰，而動力鋰電正極材料主要為錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料。
目前為止，磷酸鐵鋰電池正極材料已經(jīng)占據(jù)了鋰離子電池正極市場份額的8%，而且近幾年隨著國內(nèi)幾大正極材料生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)能擴(kuò)大，磷酸鐵鋰的市場增速加快，相信不久磷酸鐵鋰的市場份額將會越來越大，因為根據(jù)前面分析，鈷酸鋰的市場最終會被其他三種材料所吞噬，在以后的正極材料市場上將會出現(xiàn)磷酸鐵鋰、錳酸鋰和三元材料三足鼎立的局面，磷酸鐵鋰市場也會伴隨著電動車行業(yè)的興起大放異彩。
阻礙磷酸鐵鋰發(fā)展的問題
雖然磷酸鐵鋰擁有諸多優(yōu)點，但是也存在不容忽視的根本性缺陷，小編歸結(jié)起來的幾點關(guān)于磷酸鐵鋰存在的相關(guān)問題再次重申，以正視聽。
1、在磷酸鐵鋰制備時的燒結(jié)過程中，氧化鐵在高溫還原性氣氛下存在被還原成單質(zhì)鐵的可能性。單質(zhì)鐵會引起電池的微短路，是電池中最忌諱的物質(zhì)。這也是日本一直不將該材料作為動力型鋰離子電池正極材料的主要原因。
2、磷酸鐵鋰電池存在一些性能上的缺陷，如振實密度與壓實密度很低，導(dǎo)致鋰離子電池的能量密度較低。低溫性能較差，即使將其納米化和碳包覆也沒有解決這一問題。
3、材料的制備成本與電池的制造成本較高，電池成品率低，一致性差。磷酸鐵鋰的納米化和碳包覆盡管提高了材料的電化學(xué)性能，但是也帶來了其它問題，如能量密度的降低、合成成本的提高、電極加工性能不良以及對環(huán)境要求苛刻等問題。
4、知識產(chǎn)權(quán)問題。目前磷酸鐵鋰的基礎(chǔ)專利被美國德州大學(xué)所有，而碳包覆專利被加拿大人所申請。這兩個基礎(chǔ)性專利是無法繞過去的，如果成本中計算上專利使用費的話，那產(chǎn)品成本將會進(jìn)一步提高，這對國內(nèi)的企業(yè)將是致命的。
短期來看，中國企業(yè)在中國國內(nèi)研發(fā)、生產(chǎn)磷酸鐵鋰正極材料的風(fēng)險不是很大，但未來要走向世界市場必將面臨嚴(yán)峻的專利考驗。
