几种锂电池正极材料的发展与比较

作者:上海艾九能源科技有限公司 浏览: 发表时间:2021-05-26 10:51:37

锂电池正极材料的优劣主要是从其氧化还原电位、电导率、扩散系数、价格以及对环境是否存在污染等方面进行判断。钻酸锂、磷酸铁锂、三元材料以及锰酸锂都是常用的锂电池正极材料,不同的材料都有各自的优缺点。可以结合锂电池的不同使用环境和方法选择正极材料,从而确保锂电池的性能,并尽量降低其市场价格,促进锂电池行业长足发展。


1.锂电池正极材料的发展


(1)锂离子电池目前的发展状况

锂离子电池是二次电池,人们也根据其工作方式和特点,将锂离子电池形容为“摇椅式电池”。锂离子电池自从大规模的进入商业化开始,不断侵占电池市场,现在已经稳稳的占据二次电池市场。但是,在很长一段时间内,锂离子电池在国际市场上呈现日本一家独占的现象。近年来,我国和韩国不断研究锂离子电池,直追日本,在国际锂离子电池市场上已经逐渐呈现出中国、韩国、日本三足鼎立的局面。锂离子电池也将面向多方向共同发展的趋势。

锂离子电池的生产中,其中影响其性能和价格的主要材料是正极材料,并且正极材料在锂离子电池中的比例较高。因此,正极材料决定了锂离子电池是否能够大型化,并决定锂离子电池的安全性能:同时,正极材料之所以能够在很大程度上决定锂离子电池的价格,是由于正极材料在电池中所占比例较高,约40%左右。可以说,锂离子电池正极材料的发展,推动了锂离子电池的发展。


(2)锂电池正极材料的发展趋势

锂离子电池正极材料经过十几年的发展,在国际锂电池市场中已经逐渐占据主要地位。由于该行业的技术要求较高,对产品质量的要求也比较严格,使得一些核心竞争力较低或不具有核心竞争力的企业逐渐退出锂电池正极材料市场,行业内的优势资源逐渐向大企业靠拢。综合目前锂电池正极材料的市场需求和其研发情况来看,在未来正极材料市场中,磷酸铁锂将逐渐占据主导地位。


2.几种锂电池正极材料的比较

(1)钴酸锂

在所有的锂电池正极材料中,钴酸锂有其化学性能稳定性较好、生产工艺比较简单等优点,最先实现材料的商品化生产。同时,钴酸锂的放电电压性能比较稳定、工作电压高,更加适合大电流的充电、放电工作需求。并且循环性能更好、比能量也较高等方面也具有较好的优势,在小型充电电池方面的使用更为广泛。然而钴酸锂材料也存在一定的缺点,即市场价格较高、实际容量仅达到理论容量的50%左右;同时,其循环寿命虽然已经达到一定标准,但仍旧需要进一步提升。此外,钴酸锂抗过充性能不高,若是充电电压较高,则比容量则会快速下降。因此,在对钴酸锂材料的研究中,应更趋向于提高其安全性、提高其适应高电压的性能等方面进行优化。


(2)磷酸铁锂

磷酸铁锂为橄榄石晶体结构,是锂电池正极材料研究中最为热门的材料之一。磷酸铁锂在没有经过改性时,其实际容量已经达到110mAh/g。采用合理的技术手段对其进行改性,使其实际容量达到165mAh/g,与其170mAh/g的理论容量非常接近。磷酸铁锂工作时的电压在3.4V左右浮动。同时,磷酸铁锂具有较高的安全性、稳定性、价格低廉,并且更具有环保价值。我国很多锂电池厂商比较倾向于使用磷酸铁锂材料,被公认为是最有发展前景的锂电池正极材料。但是,室温环境下磷酸铁锂的电导率较低,对材料的需求量大,且理论容量也没有达到一定高度。同时,由于磷酸铁锂的生产技术要求较高,很难在批量生产时保证其稳定性。因此,市场对磷酸铁锂的研究主要集中在提高其电导率方面。此外,在磷酸铁锂材料的研究中还需要重点解决专利问题。


(3)三元材料

近年来,由于锂电池的发展,促使人们深入研究锂电池正极材料,使得正极材料由层状嵌锂多元逐渐过渡到金属复合型材料,尤其是含有钴、镍、锰的新型氧化物符合材料。这一发展的主要原因是:钻酸锂的价格较高,锂电池的国际市场上对三元材料的需求大。我国企业参与到国际竞争的比例越来越高,国际企业选择的锂电池材料对我国的锂电池行业也有着重要影响。三元材料中融合了锰酸锂、镍酸锂和钴酸锂三种锂电池正极材料的优点,形成三相共熔体系,并且其综合性能要优于任何单一.材料生产的锂电池, 存在三元协同作用的效果。三元材料的放电容量-一般在200mAh/g左右,2. 5V~4. 6V之间的电压都可以工作;同时,在充电和放电的过程中可以保持稳定的层状结构特点,可以有效避免锰酸锂的层状结构转向尖晶石结构。与目前市场上占有重要地位的钴酸锂相比,其具有容量更高、价格低廉、环境污染较小、安全性能较为稳定,并且在高温环境下稳定性较高等优势,市场发展前景更为广阔。


(4)锰酸锂

与钴酸锂、镍酸锂等锂电池正极材料相比,锰酸锂的耐过充性、安全性都比较好,且锰原料丰富、无毒性、市场价格较低,是发展前景比较好的材料之一。锰酸锂的结构与尖晶石相似,其工作的实际容量可以达到90mAh/g~120mAh/g,与其148mAh/g的理论容量存在一定 差距,工作时的电压范围为3V~4V。锰酸锂作为锂电池正极材料的主要优点是锰原料丰富、安全性能高,并且价格较低,制备工艺比较简单。而锰酸锂的主要缺点是其理论容量较低,在电解质中会随着时间延长而逐渐溶解,也就是说与电解质之间缺少良好的相容性:如果锂电池进行深度的充电和放电,则材料会出现晶格崎变,导致电池容量迅速降低。尤其是在高温环境下使用锰酸锂正极材料的锂电池,其电池容量的变化更为迅速。近年来,为解决锰酸锂容量变化的问题,研究出一种具有层状结构特点的三价锰氧化物,其理论容量和实际容量都有大幅度提升,但是在充电和放电过程中依旧存在结构稳定性不足的问题,致使锂电池的循环性能被破坏。这些问题,经过对锰酸锂进行表面修饰以及掺杂改进,已经取得较大的进展。


总结

从理论的角度来说,可以应用于锂电池的材料较多,但是目前市场上使用量较大、性能和价格等方面对比比较合适的仅有几种,而钻酸锂、磷酸铁锂等正极材料生产的锂电池比较常见。不同正极材料生产的锂电池价格、安全性、结构等都不同,而其中最为理想的是磷酸铁锂材料的锂电池,不仅满足人们使用锂电池的需求,并且不会污染环境。


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