一文看懂鋰電池正極材料

正極材料：電池中的關鍵材料

正極材料是決定鋰離子電池性能的關鍵材料之一，也是目前商業化鋰離子電池中主要的鋰離子來源，其性能和價袼對鋰離子電池的影響較大。目前研製成功並得到應用的正極材料主要有鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元材料鎳鈷錳酸鋰(NCM)和鎳鈷鋁酸鋰(NCA)等。

鈷酸鋰(LCO)：適合小型電池，實際容量不高

鈷酸鋰是第一代商業化正極材料，在幾十年的發展中逐漸改性和提高，可以認爲是最成熟的鋰離子電池正極材料。鈷酸鋰具有放電平臺高、比容量較高、循環性能好、合成工藝簡單等優點。但該材料中含有毒性較大的鈷元素，且價袼較高，製作大型動力電池時安全性難以保證。

鈷酸鋰仍是小型鋰電池的最佳選擇。目前在3C電子電池中，大多數仍使用鈷酸鋰而並非比容量更高的三元材料，原因是鈷酸鋰材料的壓實密度大於三元材料，即單位體積內能容納的鈷酸鋰量更多。在更爲重視體積密度的小型電池中，鈷酸鋰佔有着一席之地。

鈷酸鋰理論容量高，但實際容量卻只有理論的一半。原因是在充電過程中鋰離子要從鈷酸鋰材料中脫出，但脫出量小於50％時，材料的形態和晶型可以保持穩定。隨着鋰離子脫出量增大至50％時，鈷酸鋰材料將發生相變，如果此時繼續充電，鈷將溶解在電解液中併產生氧氣，嚴重影響電池循環穩定性和安全性能，因此一般的鈷酸鋰充電截止電壓爲4．2V。

磷酸鐵鋰(LFP):能量密度低，安全性突出

磷酸鐵鋰是目前廣受關注的正極材料之一，理論比容量爲170mAh/g,實際比容量可達150mAh/g以上，其主要特點是不含有害元素，成本低廉，安全性非常好，循環壽命可達10000次，這些特點使得磷酸鐵鋰材料迅速成爲研究熱點，磷酸鐵鋰電池也在電動汽車領域有了廣泛的應用。

磷酸鐵鋰的缺點也較爲明顯，即能量密度低。原因有兩點，一是磷酸鐵鋰材料的電壓僅有3．3V左右，低於其他正極材料，這使得磷酸鐵鋰電池儲存能量較低；二是磷酸鐵鋰導電性較差，需要納米化並進行包覆才能獲得良好的電化學性能，這使得材料變得蓬鬆，壓實密度較低。兩者綜合作用，使得磷酸鐵鋰電池的能量密度低於鈷酸鋰和三元電池。因此磷酸鐵鋰電池主要應用於電動大巴車及少量乘用車中。

磷酸鐵是否近期將被淘汰？近期新能源汽車安全事故頻發，被認爲將很快被三元材料取代的磷酸鐵鋰再次進入人們的視野，人們希望通過對磷酸鐵鋰進行改性提高其容量。目前已有學者通過在磷酸鐵鋰中摻入Mn元素使其擁有更高的電壓和更高的能量密度，也有相關研究通過複合技術將磷酸鐵鋰與NCM三元材料進行混合，在保持三元素電池較高能量密度的同時可以有效提升其安全性能。

三元材料(NCM、NCA)：性能可調控，道路如何抉擇？

三元材料是與鈷酸鋰結構極爲相似的鋰鎳鈷錳氧化物(LiNixCoyMn1-x-y02)的俗稱，這種材料在比能量、循環性、安全性和成本方面可以進行均衡和調控。鎳鈷錳三種元素的不同配置將爲材料帶來不同的性能：鎳含量增加將增加材料的容量，但會使循環性能變差；鈷的存在可使材料結構更加穩定，但含量過高會使容量降低；錳的存在可以降低成本並改善安全性能，但含量過高則會破壞材料的層狀結構，因此找到三種材料的比例關係以達到綜合性能最優化，是三元材料研發的重點。常見配比有NCMIII、523、622、811等。NCA（LiNio．8C0015Ah0502）則是將其中的錳元素用鋁元素來替代，一定程度上改善材料的結構穩定性，但其鋁含量較少，可近似看成是一種二元材料。