淺談鋰離子電池正極材料的應用

陳嘉

摘 要：鋰離子電池最早于1990年研究成功，截止到目前，已經在各類電子產品中得到了應用，作為一種新能源電池，鋰離子電池有著理想的性價比與綜合性能，應用范圍涵蓋到筆記本電腦、移動電話、武器設備、攝錄機等等，在儲能、航天、電動汽車領域中，也逐漸展露頭角。本文主要針對鋰離子電池正極材料的應用進行分析。

關鍵詞：鋰離子電池；正極材料；應用

隨著科學技術的不斷發展，手機、筆記本電腦、攝像機等電子產品迅速發展起來，對優性能鋰離子電池的需求量一直保持持續增長趨勢。而電池由正極材料、負極材料、隔膜、電解液等部分組成，其中對鋰離子電池性能影響最大的是正極材料。

1 鋰離子電池正極材料結構

目前鋰離子電池常使用的正極材料主要是鋰過渡金屬氧化物，主要包括以下三種結構：

1.1 六方層狀結構

這種結構最常用的材料包括三元材料和LiCoO2、LiNiO2、Ni、Co、Mn復合氧化物。其中鈷酸鋰主要應用于國內小型鋰電池正極材料，具有穩定的電化學性能、高密度振實、易于合成等優點。

1.2 尖晶石結構

這種結構最常用的材料為LiMn2O4，可逆容量高，安全性能好、放點平穩且成本較低。但它在充放電時容易出現結構不穩定，容量衰減嚴重等現象。其作用與三元材料相差不大，主要應用于小型鋰電池和部分電動自行車和電動工具中。

1.3 橄欖石結構

這種結構最常用的材料為LiFePO4等，其優點有很多，如結構穩定性高、安全性能好、原料來源廣泛、是環境友好型正極材料，甚至標志著“鋰離子電池一個新時代的到來”。主要應用于電動工具盒、電動汽車領域。

2 鋰離子電池正極材料的應用

2.1 鋰離子電池正極材料中三元材料的應用

三元材料的市場價值主要體現在小型鋰電池市場和動力鋰電池市場。在小型鋰電池市場中，利用三元材料的高電化學容量、較好的循環性能和安全性能等優點，主要應用于各種便攜式電子產品中。而在動力鋰電池市場中，三元材料的市場價值主要體現在汽車行業中，突出優點是其具有較低的成本，較高的安全性能。但另一方面，當溫度處于50℃以上時，會造成電池容量衰減速度高，循環性能變差，導致電池使用壽命變短。

2.2 鋰離子電池正極材料中鈷酸鋰的應用

近年來，為了提高鈷酸鋰的比容量，可以通過表面修飾改性和摻雜提高其充電電壓的方法。但是經大量實驗研究表明，表面修飾改性的方法不能使其表面性質完全改變，并不能解決高電壓下鈷酸鋰晶體結構不穩定的問題。而體相摻雜，提高充電電壓就可以增加其結構的穩定性和可逆比容量。

2.3 鋰離子電池正極材料對電解液的量的需求

不同種類的電池電芯對電解液量有不同的需求。合適的電解量對電池性能尤其是電池容量、電池循環性能和電池抗過充電性能的由著非常重要的影響。

經研究表明，隨著電池電解液量的升高，電池容量也增加，進而趨緩至基本恒定，而電池的循環性能和抗過充電性能都對電解液量的要求十分嚴格，電解液過多或過少都會造成電池循環性能的降低，合適的電解液量也不會造成電池因過充電而造成的殼體破裂，短路甚至起火等狀況。

2.4 鋰離子電池正極材料的不同NP值對電池性能的影響

NP值為電池負極使用量，不同的NP值會嚴重影響電池容量和電池循環性能。經試驗數據表明，電池負極使用量NP增加會致使電池正極材料的容量呈現出先上升再下降的狀態，穩定性降低，進而降低電池整體的安全性能。所以在電池設計中要依據實驗室設備參數和條件等參數來不斷調整優化NP值，使電池性能達到最優狀態。

3 鋰離子電池正極材料的發展趨勢

結合我國現階段電池使用情況，可以看出鋰離子電池正極材料行業蓬勃發展，并將長期處于快速增長階段。

總體來說，鈷酸鋰具有振實密度高、容量高、循環性能好、電導率高等優勢，是電池中首選的正極材料，具有一定的發展潛力。但是鈷是稀有金屬，價格高，而且有一定的毒性，污染環境，在一定程度上限制了其發展；錳酸鋰在高溫下容量衰減較快，這是目前急需解決的問題，另一方面，它成本低，無污染，還是具有很大的發展空間；磷酸鐵鋰價格低，較高的安全性和循環穩定性，但其較低的電導率和振實密度限制了發展，時目前電池正極材料研究的一個熱點，也是動力電池中首選的正極材料；三元材料也具有較高的能量密度、安全性能和循環穩定性，而且成本較低，因此它在正極材料中的使用量比重增長迅速。

隨著智能手機和筆記本電腦等電子產品的高速發展，對電池的需求量越來越高，而鋰離子電池憑借其優異的性能，使其產業蓬勃發展，甚至已經牢牢占據了二次電池的高端市場，其正極材料也必將有較大發展。

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