鋰離子電池正極材料和負(fù)極材料有什么區(qū)別?鋰離子電池分布在我們生活的各個(gè)角落。作為電能的載體和眾多設(shè)備的動(dòng)力源，可以說，沒有鋰離子電池，當(dāng)今的物質(zhì)世界就無法玩游戲。我們經(jīng)常看到磷酸鐵鋰、三元鋰離子電池的術(shù)語，這些都是鋰離子電池負(fù)極材料來區(qū)分鋰離子電池的類型。相比之下，鋰離子電池的正極材料和負(fù)極材料對(duì)電池性能有很大的影響，這是我們非常關(guān)注的。那么，鋰離子電池的正極和負(fù)極材料有什么不同呢?

 

鋰電池。JPG

 

鋰離子電池的基本組成部分

 

鋰離子電池需要包含幾種基本材料:正極活性材料、負(fù)極活性材料、隔離膜、電解液。

 

鋰離子電池正極與負(fù)極材料差異

 

負(fù)極主要用于石墨，是一種用于正極的過量金屬氧化物，如鋰鈷氧化物或錳酸鋰、磷酸鐵鋰等。

 

正極的電位比負(fù)極高，兩者之間的電位差構(gòu)成電池電壓。

 

鋰離子電池正極材料

 

負(fù)極材料是決定鋰離子電池性能的關(guān)鍵材料之一，也是商用鋰離子電池中鋰離子的主要來源。目前，鋰鈷氧化物、鋰鐵磷酸鹽、錳酸鋰、鋰鎳鈷錳氧化物(NCM)和鋁酸鎳鎳鈷酸鋰(NCA)已成功開發(fā)應(yīng)用。

 

1. 鋰鈷氧化物

 

鋰鈷氧化物因其生產(chǎn)工藝簡單、電化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是國內(nèi)最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的鋰鈷氧化物。同時(shí)，氧化鋰鈷具有工作電壓高、充放電電壓穩(wěn)定、適用于大電流充放電、比能高、循環(huán)性能好等優(yōu)點(diǎn)，在小型可充電電池領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。鋰鈷氧化物陰極材料的缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，實(shí)際比容量僅為理論容量274mAh/g的50%左右;鋰鈷氧化物的循環(huán)壽命已達(dá)到1000倍，但仍需進(jìn)一步提高。此外，鋰鈷氧化物抗過充能力差，在較高的充電電壓下比容量迅速下降。

 

2. 三元材料

 

近年來，層狀鋰嵌入多金屬過渡正極材料發(fā)展迅速，特別是新型的含鈷、鎳、錳的過渡金屬嵌入鋰氧化物復(fù)合材料。

 

3.錳酸鋰

 

與鋰鈷酸、鋰鎳酸相比，鋰錳酸具有安全性好、抗過充性好、原料錳資源豐富、價(jià)格低廉、無毒等優(yōu)點(diǎn)。片層狀錳酸鋰作為鋰離子電池的負(fù)極材料，其缺點(diǎn)是雖然容量很高，但在高溫下不穩(wěn)定，在充放電過程中容易轉(zhuǎn)變?yōu)榧饩Y(jié)構(gòu)，導(dǎo)致容量衰減過快。

 

4. 磷酸亞鐵鋰

 

隨著動(dòng)力電池的發(fā)展，國內(nèi)大多數(shù)制造商傾向于使用磷酸鐵鋰材料。是一種新型的鋰離子電池正極材料。該材料具有能量密度高、價(jià)格低廉、安全性好等特點(diǎn)，特別適用于動(dòng)力電池。它的出現(xiàn)是鋰離子電池材料的重大突破，已成為許多國家的熱點(diǎn)話題。磷酸鐵鋰是目前最有前途的電力電池正極材料。由于磷酸鐵鋰生產(chǎn)的技術(shù)門檻較高，在批量生產(chǎn)時(shí)，大多數(shù)廠家很難保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性。其缺點(diǎn)是電阻率高，電極材料利用率低。因此，研究工作主要集中在解決電導(dǎo)率問題上。另外，磷酸鐵鋰的專利問題也是磷酸鐵鋰行業(yè)在發(fā)展過程中需要解決的問題。

 

鋰離子電池負(fù)極材料

 

鋰電池的主要負(fù)極材料有錫基材料、鋰基材料、鈦酸鋰、碳納米材料、石墨烯材料等。鋰電池正極材料的能量密度是影響鋰電池能量密度的主要因素之一。

 

1. 碳納米管

 

碳納米管是一種石墨化結(jié)構(gòu)的碳材料，具有良好的導(dǎo)電性。同時(shí)，由于脫鋰時(shí)深度小，行程短，作為負(fù)極材料，大倍率充放電時(shí)極化效應(yīng)小，可以提高電池大倍率充放電性能。

 

但當(dāng)碳納米管直接用于鋰電池正極材料時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不可逆容量大、電壓滯后、放電平臺(tái)不明顯等問題。例如，Ng等人采用簡單過濾法制備單壁碳納米管，直接作為陰極材料，一次放電容量為1700mAh/g，可逆容量僅為400mAh/g。

 

石墨烯

 

英國曼徹斯特大學(xué)的研究人員在2004年首次發(fā)現(xiàn)了石墨烯，并獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。石墨烯是一種由碳六元環(huán)構(gòu)成的新型碳材料。它具有比表面積大、導(dǎo)熱系數(shù)高、電導(dǎo)率高、機(jī)械性能好等優(yōu)良性能。因此，它作為鋰離子電池的材料引起了廣泛的關(guān)注。

 

3.鈦酸鋰

 

尖晶石型鈦酸鋰被認(rèn)為是一種具有以下優(yōu)點(diǎn)的陰極材料:

 

1)鈦酸鋰在去鋰前后幾乎“零應(yīng)變”;

 

2)嵌入鋰具有高電位(1.55v)，避免產(chǎn)生“鋰枝晶”，安全性高;

 

3)具有非常平坦的電壓平臺(tái);

 

4)化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)高，庫侖效率高。

 

4. 硅基材料

 

硅作為鋰離子電池的理想負(fù)極材料，具有以下優(yōu)點(diǎn):

 

1)硅可以與鋰形成Li4.4Si合金，鋰的理論存儲(chǔ)容量高達(dá)4200mAh/g(比石墨容量的10倍以上);

 

2)硅的嵌入鋰電位(0.5v)略高于石墨，充電時(shí)不易形成“鋰枝晶”;

 

3)硅與電解質(zhì)反應(yīng)活性低，不會(huì)出現(xiàn)有機(jī)溶劑共包埋現(xiàn)象。

 

5. 錫合金

 

SnCoC是一種已成功商品化的錫合金負(fù)極材料。Sn、Co和C在原子水平上混合均勻，而不是結(jié)晶。該材料能有效抑制電極材料在充放電過程中的體積變化，提高循環(huán)壽命。

 

6. 氧化錫

 

SnO2因其高理論比容量(781mAh/g)而備受關(guān)注。但在應(yīng)用中也存在一些問題:第一次不可逆容量大，嵌鋰時(shí)體積效應(yīng)大(體積膨脹250% ~ 300%)，循環(huán)易團(tuán)聚。實(shí)驗(yàn)表明，石墨作為載體不僅能使SnO2顆粒更均勻地分散，而且能有效地抑制顆粒團(tuán)聚，提高材料的循環(huán)穩(wěn)定性。

 

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)新型電池材料的需求不斷增加，加之手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、汽車等產(chǎn)品對(duì)新型、高效、環(huán)保的電池材料需求強(qiáng)勁，我國新型電池材料市場將繼續(xù)擴(kuò)大。鋰電池正極材料是保證電池安全的關(guān)鍵。在鋰離子電池正極材料中，石墨化中間相碳微球、無定形碳、硅或錫的市場份額較小，天然石墨和人工石墨的市場份額超過90%。鋰電池作為電池未來的發(fā)展方向，其正極和負(fù)極材料的市場發(fā)展前景非常好。