鋰離子電池正負材料知識講解
來源：寶鄂實業(yè)
2019-10-19 21:19
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鋰離子電池正負材料
我們經常看到磷酸鐵鋰、三元鋰等專業(yè)鋰離子電池術語，它們都是根據(jù)鋰離子電池的正極材料來區(qū)分鋰離子電池的類型。相對而言，鋰離子電池的正負極材料對電池的性能有很大的影響，這是人們非常關注的問題。那么，目前市場上常見的正負材料有哪些？使用它們作為鋰離子電池有哪些優(yōu)點和缺點？
一。正極材料
首先，讓我們看看積極材料的選擇，主要基于以下因素：
1）高氧化還原電位，使鋰離子電池達到高輸出電壓。
2）鋰元素含量高，材料堆積密度高，使得鋰離子電池具有較高的能量密度。
3）化學反應過程中結構穩(wěn)定性好，使鋰離子電池具有較長的循環(huán)壽命；
4）導電率高，使鋰離子電池具有良好的充放電比性能；
5）化學和熱穩(wěn)定性好，不易分解和受熱，使鋰離子電池具有良好的安全性；
6）價格低，鋰離子電池成本低；
7）制造工藝相對簡單，便于大規(guī)模生產；
8）對環(huán)境污染小，易于回收利用。
目前，鋰離子電池的能量密度、充放電比、安全性等關鍵指標主要由正極材料控制。
基于這些因素，通過工程研究和市場調研，市場上常見的陰極材料如下表所示：
鋰離子電池八參數(shù)及正負極材料分析
第一代商用鋰離子電池是索尼于1990年推出市場的鋰離子電池，隨后被廣泛應用于消費品中。隨著手機、筆記本電腦和平板電腦的大規(guī)模普及，鈷酸鋰一度占據(jù)鋰離子電池正極材料銷售的最大比重。但其固有的缺點是質量低于容量（不等于能量密度），理論極限為274mah/g，考慮正結構的穩(wěn)定性，只能達到理論值的50%，即137mah/g。由于鈷元素在地球上的儲量相對較低，鈷酸鋰的成本也較高，很難在動力電池領域得到廣泛應用，因此鈷酸鋰正極材料將逐漸被其他材料替代。
由于鈮酸鋰具有穩(wěn)定性、安全性、材料合成困難等缺點，其商業(yè)應用較少，在市場上也很少見到，因此本文不作討論。
2.陰性物質
相對而言，目前鋰離子電池的負極材料并不多，但負極材料在提高鋰離子電池性能方面仍起著重要作用。鋰離子電池負極材料的選擇應主要考慮以下條件：
1）采用層狀或隧道結構，便于鋰離子解塊；
2）鋰離子解塊過程中沒有結構變化，具有良好的充放電可逆性和循環(huán)壽命。
3）鋰離子應盡可能多地嵌入和分離，使電極具有較高的可逆容量。
4）氧化還原反應電位低，用正極材料使電池具有較高的輸出電壓。
5）第一次不可逆放電比容量小；
6）與電解液溶劑相容性好；
（7）資源豐富，價格低廉；
8）安全性好；
9）環(huán)境友好。
鋰離子電池負極材料種類繁多，根據(jù)化學成分可分為金屬負極材料（包括合金）、無機非金屬負極材料和金屬氧化物負極材料。
（1）金屬陽極材料：這些材料大多具有超高的鋰容量。研究的第一種陽極材料是鋰金屬。由于電池的安全問題和循環(huán)性能差，金屬鋰作為負極材料并沒有得到廣泛的應用。近年來，合金陽極材料得到了廣泛的研究，如錫基合金、鋁基合金、鎂基合金、銻基合金等，這是一個新的方向。
（2）無機非金屬負極材料：作為鋰離子電池負極的無機非金屬材料主要有碳材料、硅材料等非金屬復合材料。
（3）過渡金屬氧化物材料：這些材料通常具有結構穩(wěn)定、循環(huán)壽命長的優(yōu)點，如鋰過渡氧化物（鈦酸鋰等）、錫基復合氧化物等。
從目前市場來看，在大規(guī)模商業(yè)應用方面，陽極材料仍以碳材料為主，石墨和非石墨碳材料均有應用。在汽車和電動工具領域，鈦酸鋰作為負極材料有一定的應用，主要是具有非常優(yōu)異的循環(huán)壽命、安全性和倍率性能，但它會降低電池的能量密度，因此并不是市場的主流。除了索尼的錫合金產品外，其他類型的陽極材料大多仍以科研和工程開發(fā)為主，很少有面向市場的應用。
就未來發(fā)展趨勢而言，如果能有效解決循環(huán)性能問題，硅基材料很可能取代碳材料成為下一代鋰離子電池的主要負極材料。錫合金、硅合金等合金負極材料也是一個非常熱門的方向，將走向產業(yè)化。此外，具有高安全性和能量密度的氧化鐵可以替代鈦酸鋰（LTO），其在某些領域有著廣泛的應用，對長壽命和安全性有很高的要求。
