鋰離子電池的正極材料是什么？

隨著全球經(jīng)濟不斷發(fā)展，能源危機逐步加深、環(huán)保意識不斷增強，作為新能源及環(huán)保低碳的動力電池產(chǎn)業(yè)得到迅猛發(fā)展，而鋰離子電池憑借其優(yōu)異的性能、成熟的技術(shù)成為眾多動力電池的主流發(fā)展方向。鋰離子電池主要由正極、負極、電解液、隔膜構(gòu)成，依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作，具有反復(fù)充電的能力，隨著材料種類、性能技術(shù)不斷突破和生產(chǎn)成本的有效控制，鋰離子電池質(zhì)輕、續(xù)航里程長、適用范圍廣、能量密度高、輸出功率高的優(yōu)勢將逐步得到體現(xiàn)，被作為主要的動力電池發(fā)展，是當(dāng)今新能源車動力電池的主要類型。

一、鋰離子電池正極材料

目前國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的鋰離子動力電池正極材料有磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰、三元(鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰)、鎳酸鋰材料;主要生產(chǎn)企業(yè)有湖南杉杉新材料有限公司、湖南瑞翔新材料股份有限公司、北大先行科技產(chǎn)業(yè)有限公司、北京當(dāng)升材料科技股份有限公司、天津巴莫科技股份有限公司、寧波金和新材料股份有限公司、深圳市天驕科技有限公司等。

1.主要的正極材料

鈷酸鋰的容量可達到140mAh/g,質(zhì)量輕、體積小、充放電電壓平穩(wěn)、電導(dǎo)率高、生產(chǎn)工藝簡單;制備方法有高溫固相法、溶膠-凝膠法、沉淀法、噴霧干燥法、水熱合成法;但高的原材料價格、差的熱穩(wěn)定性及嚴重的污染問題限制其在電動車上的應(yīng)用。

鎳酸鋰容量達到190～210mAh/g,環(huán)境污染小、自放電率低，合成方法有高溫固相法、溶膠-凝膠法;但熱穩(wěn)定性差、容量衰減快。

2.正極材料的研發(fā)

鎳鈷錳、鎳鈷鋁三元材料的研發(fā)主要是提升材料的體積比能量、提高低溫性能、改善電池的安全性;通過調(diào)整材料的組成比例實現(xiàn)性能的調(diào)控。為了繼續(xù)提升電池的能量密度，正極材料將向硅酸鹽復(fù)合材料、層狀富鋰錳基材料、硫基材料發(fā)展;向更高嵌鋰容量且性能良好鋰脫嵌的可逆性材料方向發(fā)展。材料結(jié)構(gòu)研究傾向于層狀結(jié)構(gòu)和尖晶石結(jié)構(gòu)。

3.正極材料的發(fā)展趨勢

(1)材料改性

穩(wěn)定電極材料表面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，主要通過石墨烯改性、表面改性，達到提高材料的電導(dǎo)率、高溫循環(huán)性能，降低材料容量衰減的效果。

(2)離子摻雜

離子摻雜主要是將金屬元素鋁(Al)、鉻(Cr)、鎂(Mg)在氧位摻雜到過渡金屬和非金屬元素中，將導(dǎo)電性好的金屬離子摻雜到正極材料中，改善鋰離子擴散速率、導(dǎo)電率、電化學(xué)性能，提高穩(wěn)定性，需深入研究摻雜改性的具體作用機理，以便更好地利用摻雜提高材料性能。

二、鋰離子電池負極材料

鋰離子動力電池負極材料應(yīng)具有較高的電導(dǎo)率，能夠容納大量的鋰離子且具有良好的穩(wěn)定性。目前負極材料大多采用石墨結(jié)構(gòu)的碳素材料，一般由碳素材料、粘合劑、添加劑按一定比例混合涂覆在銅箔上經(jīng)干燥、滾壓而制成;此外還有硅基材料、錫基材料、鈦酸鋰材料等。國內(nèi)鋰離子電池負極材料的生產(chǎn)廠家主要有深圳市貝瑞特科技有限公司、上海杉杉科技有限公司、江西紫宸科技有限公司、深圳市斯諾實業(yè)發(fā)展有限公司、湖南星源科技發(fā)展有限公司、江西正拓新能源科技股份有限公司等。

1.主要的負極材料

鋰離子電池負極材料以石墨類材料為主,主要包括人造石墨、天然石墨、軟/硬碳和中間相碳微球、鈦酸鋰;正在研究中的負極材料有鈦氧化物、錫與碳的復(fù)合物、硅的復(fù)合物，碳納米管、石墨新型材料。

2.負極材料的研發(fā)

目前負極材料主要研究嵌入型、合金化型、轉(zhuǎn)化型;主要研發(fā)材料有硬碳、軟碳、硅碳;提高工藝成熟度、穩(wěn)定性和效率;目前研究較多的負極材料有納米尺度硅及硅合金(主要是解決硅負極材料因體積變化大造成的容量衰減速度快的問題)，金屬氧化物(氧化鐵、氧化鈦)替代石墨，通過包覆或控制其材料粒徑、形貌，以提高其導(dǎo)電性，合金研究主要是材料的納米化、多組分復(fù)合，碳納米管、石墨新型負極材料正在研究中，將為鋰離子電池的發(fā)展帶來新的機遇與挑戰(zhàn)。

3.負極材料的發(fā)展趨勢

(1)石墨負極的優(yōu)化

離子摻雜可有效改善材料的功率特性、循環(huán)穩(wěn)定性，包覆處理有效抑制粒子長大，同時提高電子電導(dǎo)率，獲得良好的電化學(xué)性能

(2)材料納米化

碳納米管、石墨烯就是其中的代表，分散態(tài)的球狀納米結(jié)構(gòu)比表面積較高，可以顯著提高材料的比容量、循環(huán)性能、倍率性能。

三、鋰離子電池隔膜材料

隔膜成本約占電池成本的20%，是電池材料的重要組成部分，主要作用是將電池的正、負極隔離，保證電池安全、實現(xiàn)充放電功能，主要要求是絕緣性要好。隔膜作為高分子功能材料，發(fā)展前景廣闊、附加值高、成本低、效益前景可觀。國內(nèi)隔膜生產(chǎn)企業(yè)主要有星源電子科技(深圳)有限公司、北京泰和中科科技有限公司、佛山市金輝高科光電材料有限公司、重慶明珠塑料有限公司、河南義騰新能源科技有限公司、南通天豐電子新材料有限公司。

1.主要的隔膜材料

為了便于氣體擴散，應(yīng)選擇透氣性好且薄的鋰離子動力電池隔膜材料，一般為聚烯烴類微孔薄膜材料，包括聚乙烯單層膜、聚丙烯單層膜及2種材質(zhì)的雙層或3層復(fù)合膜，薄膜厚度約為10～20μm。隔膜的研究方向主要集中在提高強度、穩(wěn)定性和孔隙率等方面。

2.隔膜材料的研發(fā)

目前低端隔膜市場產(chǎn)能過剩，但高端隔膜市場與國外產(chǎn)品質(zhì)量仍有一定差距，存在質(zhì)量均勻性和穩(wěn)定性問題，市場供不應(yīng)求，嚴重依賴日本、美國等少數(shù)幾個國家的進口。