三元鋰電池正極材料

鋰離子電池因其電壓高、能量密度高、循環壽命長、環境污染小等優點倍受青睞，但隨著電子信息技術的快速發展，對鋰離子電池的性能也提出了更高的要求。正極材料作為目前鋰離子電池中最關鍵的材料，它的發展也最值得關注。同樣，對于三元鋰電池來說，三元鋰電池的正極材料也是最關鍵的。

那么到底什么是三元鋰電池材料？

顧名思義，三元材料，就是三種電極材料共融而成的復合電極材料。理論上兼具每種電極材料的特性和優勢。目前最常見的是NCA和NCM。

NCA指的是鎳鈷鋁酸鋰（）三元材料。它源自于鎳酸鋰（）材料的發現。這種電池容量較高，相應的穩定性較差，此時，摻雜了一些鋁，以穩定其結構。常見的分子式為（）。嚴格意義上說，NCA可能并不屬于三元材料，而改性的二元材料。特斯拉Model S上使用的就是這種電池。NCM是目前最主流的三元材料，也被認為是未來的發展趨勢。NCM指的是鎳鈷錳酸鋰（）三元材料。通過調配鎳、鈷、錳三者的比例，得到不同的電極特性。

目前國內的路線仍以磷酸鐵鋰為主。磷酸鐵鋰有較好的循環穩定性能，成本也比較低。其理論能量密度大概在160Wh/kg。目前，比亞迪的單體電池，能量密度已經達到了130Wh/kg。幾乎到達了能量密度的天花板。當然研究工作者在對進一步提高磷酸鐵鋰電池的性能做著許多的工作。比如摻雜一元或者多元的離子之后，獲得了更高的容量，1C放電比容量超過120mAh/g。但是要注意到提高比能量不一定能同比提高電池的能量密度，另外材料的穩定性、安全性、材料成本、加工工藝的復雜化等一些列的問題，也仍待解決。因此，這些振奮人心的實驗室數據，要想變成產品參數，仍有相當長的一段路要走。

鋰酸鐵鋰的先天不足，使更多的企業開始注意三元材料。大部分磷酸鐵鋰的生產廠家，都開始關注三元材料的開發。其中一些（如天津力神、中航鋰電）已經開始批量的三元材料鋰電池的生產。

三元材料對比鋰電池，到底有什么優勢。從下表看看各種正極材料的能量密度參數。

材料種類	材料容量	電壓	電池容量（石墨負極）
改性錳酸鋰	110 mAh/g	4.0 V	140 Wh/kg
磷酸鐵鋰	155 mAh/g	3.4 V	160 Wh/kg
三元材料 NCM	160 mAh/g	3.8 V	220 Wh/kg
三元材料 NCA	200 mAh/g	3.8 V	250 Wh/kg

三元材料的理論比容量和能量密度的理論值要比磷酸鐵鋰樂觀得多。目前實際的產品參數又如何呢？美國JCS生產的NCA/C的45Ah電池，比能量密度在151mAh/kg，確實高于磷酸鐵鋰，但是離2015年的目標仍有不小的距離。同時，由于國內三元材料的起步較晚，與國外的技術水平有不小的差距。

目前常見的鋰離子電池正極材料主要有層狀結構的鈷酸鋰、鎳酸鋰，尖晶石結構的錳酸鋰和橄欖石結構的磷酸鐵鋰。其中，鈷酸鋰（LiCoO2）制備工藝簡單，充放電電壓較高，循環性能優異而獲得廣泛應用。但是，因鈷資源稀少、成本較高、環境污染較大和抗過充能力較差，其發展空間受到限制。鎳酸鋰（LiNiO2）比容量較大，但是制備時易生成非化學計量比的產物，結構穩定性和熱穩定性差。

錳酸鋰除了尖晶石結構的LiMn2O4外，還有層狀結構的LiMnO2。其中層狀LiMnO2比容量較大，但其屬于熱力學亞穩態，結構不穩定，存在Jahn-Teller效應而循環性能較差。尖晶石結構LiMn2O4工藝簡單，價格低廉，充放電電壓高，對環境友好，安全性能優異，但比容量較低，高溫下容量衰減較嚴重。磷酸鐵鋰屬于較新的正極材料，其安全性高、成本較低，但存在放電電壓低（3.4V）、振實密度低、尚未批量生產等不足。上述幾種正極材料的缺點都制約了自身的進一步應用，因此尋找新的正極材料成了研究的重點。
　　LiCoO2，LiNiO2同為α-NaFeO2結構，且Ni、Co、Mn為同周期相鄰元素，因此它們能以任意比例混合形成固溶體并且保持層狀結構不變，具有很好的結構互補性。同時，它們在電化學性能上互補性也很好。因此，開發復合正極材料成了鋰離子電池正極材料的研究方向之一。其中，層狀Li-Ni-Co-Mn-O系列三元鋰電池正極材料（簡稱三元材料）較好地兼備了三者的優點，彌補了各自的不足，具有高比容量、成本較低、循環性能穩定、安全性能較好等特點，被認為是較好的取代LiCoO2的正極材料。因此，三元鋰電池正極材料也成為正極材料研究熱門之一。