鋰電池常用正負(fù)極材料特性及應(yīng)用領(lǐng)域

鋰離子電池常用的正極材料有錳酸鋰，鈷酸鋰，磷酸鐵鋰以及三元材料等，常用的負(fù)極材料包括碳材料及硅基材料等。

離子電池在使用的過(guò)程中，能夠進(jìn)行二次充電，屬于一種二次可充電電池，主要工作原理為鋰離子在正負(fù)極之間的反復(fù)移動(dòng)，無(wú)論電池的形狀如何，其主要組成部分都為電解液、正極片、負(fù)極片以及隔膜。目前，國(guó)際上鋰離子電池的生產(chǎn)地主要集中在中國(guó)、日本和韓國(guó)，主要的鋰離子應(yīng)用市場(chǎng)為手機(jī)和電腦及汽車(chē)。

圖/鋰離子電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生活當(dāng)中

隨著鋰離子電池的不斷發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也在逐漸的擴(kuò)大，其在正極材料的使用方面已經(jīng)由單一化向多元化的方向轉(zhuǎn)變，其中包括：橄欖石型磷酸亞鐵鋰、層狀鈷酸鋰、尖晶石型錳酸鋰等等，實(shí)現(xiàn)多種材料的并存。

從技術(shù)發(fā)展方面能夠看出，在日后的發(fā)展中還會(huì)產(chǎn)生更多新型的正極材料。對(duì)于動(dòng)力電池的正極材料來(lái)說(shuō)，其在成本費(fèi)用、安全性能、循環(huán)能力以及能量密度等多個(gè)方面都具有較為嚴(yán)格的要求。

在應(yīng)用材料領(lǐng)域中，由于鈷酸鋰的費(fèi)用較高、安全性較低，因此在具體的使用中通常適用于普通消費(fèi)類(lèi)電池，難以符合動(dòng)力電池的相關(guān)要求。而上述列舉的其他材料均已在目前的動(dòng)力電池中得到了充分的利用。

在鋰離子電池材料中，負(fù)極材料屬于重要的組成部分，能夠?qū)φw電池的性能產(chǎn)生較大影響。目前，負(fù)極材料主要被劃分為兩個(gè)類(lèi)別，一種為商業(yè)化應(yīng)用的碳材料，例如天然石墨、軟碳等，另一類(lèi)為正處于研發(fā)狀態(tài)，但是市場(chǎng)前景一片大好的非碳負(fù)極材料，例如硅基材料、合金材料、錫金材料等等。

圖/硅碳負(fù)極材料結(jié)構(gòu)示意圖

碳負(fù)極材料

此種類(lèi)型的材料無(wú)論是能量密度、循環(huán)能力，還是成本投入等方面，其都處于表現(xiàn)均衡的負(fù)極材料，同時(shí)也是促進(jìn)鋰離子電池誕生的主要材料，碳材料可以被劃分為兩大類(lèi)別，即石墨化碳材料以及硬碳。其中，前者主要包括人造石墨以及天然石墨。

圖/人造石墨圖

人造石墨的形成過(guò)程為：在2500℃以上的溫度中，將軟碳材料進(jìn)行石墨化處理之后得到，MCMB屬于人造石墨中比較常用的一種，其結(jié)構(gòu)為球形，表面質(zhì)地較為光滑，直徑大約為5-40μm。由于受其表面光滑程度影響，使電極表面以及電解液之間發(fā)生反應(yīng)的幾率降低，進(jìn)而降低了不可逆容量。同時(shí)，球形結(jié)構(gòu)能夠方便鋰離子在任何方向進(jìn)行嵌入和脫出活動(dòng)，對(duì)保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定具有較大的促進(jìn)作用。

天然石墨也具有諸多優(yōu)勢(shì)，其結(jié)晶度較高、可嵌入的位置較多，并且價(jià)格較低，是較為理想的鋰離子電池材料。但其也存在一定的弊端，例如在與電解液反應(yīng)時(shí)，相容性較差，在進(jìn)行粉碎時(shí)表面存在諸多缺陷等，這都將對(duì)其充電或放電的性能產(chǎn)生較大的不利影響。

此外，硬碳的形成過(guò)程為：在2500℃的狀態(tài)下，難以實(shí)施石墨化的碳材料，其主要為高分子化合物的熱解碳，通過(guò)高倍顯微鏡能夠看出，其是由許多納米小球堆積而成，整體呈現(xiàn)出花團(tuán)簇狀。在其表面具有大量納米孔的無(wú)定形區(qū)域，在容量方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)石墨的標(biāo)準(zhǔn)容量，進(jìn)而對(duì)循環(huán)能力產(chǎn)生較大的不利影響。

硅負(fù)極材料

由于硅物質(zhì)的儲(chǔ)存量較為豐富，且價(jià)格較為低廉，因此將其作為新型負(fù)極材料應(yīng)用到鋰離子電池中十分理想。但是，由于硅屬于半導(dǎo)體，電導(dǎo)率較差，并且在嵌入的過(guò)程中將會(huì)使體積膨脹成以往的數(shù)倍，最高膨脹度能夠達(dá)到370%，這將導(dǎo)致活性硅粉化和脫落，難以與電子進(jìn)行充分的接觸，進(jìn)而使得容量迅速縮減。

圖/納米硅和二氧化硅復(fù)合負(fù)極材料

要想使硅在鋰離子電池材料中得到良好的應(yīng)用，使其在充電或者放電的過(guò)程中，能夠?qū)ζ潴w積進(jìn)行有效的控制，進(jìn)而使其容量和循環(huán)能力得到極大的保障，可以采用以下幾種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，第一，使用納米尺寸的硅。第二，將硅與非活性基體、活性基體、粘接劑相結(jié)合。第三，利用硅薄膜，其已經(jīng)被視為是下一代最為適用的商用負(fù)極材料。

鋰離子電池正極材料

1.鈷酸鋰

作為正極材料，被應(yīng)用的時(shí)間最早，并且直至目前仍然屬于消費(fèi)電子產(chǎn)品中居于主流的正極材料。鈷酸鋰與其他正極材料相比較能夠看出，其工作過(guò)程中電壓較高，充電或者放電時(shí)電壓運(yùn)行較為平穩(wěn)，能夠符合大電流的要求，具有較強(qiáng)的循環(huán)性能，電導(dǎo)效率較高，材料以及電池等工藝較為穩(wěn)定。

圖/鈷酸鋰晶體結(jié)構(gòu)

但是其也存在許多缺點(diǎn)，例如資源較為短缺，價(jià)格較貴，鈷含有毒性，使用時(shí)具有一定的危險(xiǎn)，并且會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不良影響。尤其是其安全性不能得到切實(shí)的保障，這將成為制約其廣泛發(fā)展的重要因素。

在對(duì)其進(jìn)行的研究中，以Al3+、Mg2+、Ni2+等金屬陽(yáng)離子摻雜最為廣泛，隨著科研的不斷推進(jìn)，目前采用Al3+與Mg2+等金屬陽(yáng)離子摻雜形式更是已開(kāi)始投入使用。

在鈷酸鋰的制備方面，主要包括兩種方法，即固相合成法以及液相合成法。在工業(yè)中普遍使用的是高溫固相合成法，它主要利用鋰鹽，例如Li2CO3或LiOH等，與鈷鹽如CoCO3等，按照1:1的比例進(jìn)行融合，并且在600℃至900℃高溫的狀態(tài)下進(jìn)行煅燒而形成。目前市場(chǎng)中對(duì)鈷酸鋰材料的應(yīng)用主要為二次電池市場(chǎng)當(dāng)中，并且也成為小型高密度鋰離子電池材料的最佳選擇。

2.三元正極材料

具有較為顯著的三元協(xié)同效應(yīng)，其與鈷酸鋰相比較能夠看出，在熱穩(wěn)定性方面存在較大的優(yōu)勢(shì)，并且生產(chǎn)成本較為低廉，能夠成為鈷酸鋰最佳代替材料。但是其密度較低、循環(huán)性能方面也有待提高。對(duì)此，可以采用改進(jìn)合成工藝以及離子摻雜等進(jìn)行調(diào)整。

圖/三元正極材料綜合性能圖示

三元材料主要應(yīng)用于鋼殼、鋁殼等圓柱形鋰離子電池當(dāng)中，但在軟包電池中由于受到膨脹因素影響，使其的應(yīng)用受到較大限制。在未來(lái)的應(yīng)用中，其發(fā)展方向主要有兩個(gè)方面：第一，向著高錳方向，主要在藍(lán)牙、手機(jī)等小型便攜式設(shè)備方面發(fā)展。第二，向著高鎳方向，主要在電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)等對(duì)能量密度需求較高的領(lǐng)域中進(jìn)行應(yīng)用。

3.磷酸亞鐵鋰

在充電和放電方面具有良好的循環(huán)性能以及熱穩(wěn)定性，在使用過(guò)程中具有較強(qiáng)的安全保障，并且該材料綠色環(huán)保，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的損害，同時(shí)價(jià)格也較為低廉，被我國(guó)電池工業(yè)認(rèn)為是進(jìn)行大型電池模塊生產(chǎn)的最佳材料。目前的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：電動(dòng)汽車(chē)、便攜式移動(dòng)充電電源等，在未來(lái)發(fā)展中將會(huì)朝著儲(chǔ)能電源、便攜式電源方向深入發(fā)展。

圖/磷酸鐵鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4.錳酸鋰

在應(yīng)用中具有較強(qiáng)的安全性以及抗過(guò)充性，由于我國(guó)錳資源較為豐富，因此價(jià)格較為低廉，對(duì)環(huán)境的污染較小，無(wú)毒無(wú)害，工業(yè)制備操作較為簡(jiǎn)便。但是其在充電或者放電過(guò)程中，由于尖晶石結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生Jahn-Teller效應(yīng)，再加上高溫狀態(tài)下錳的溶解，容易縮減電池容量，因此其應(yīng)用也受到了較大的限制。

圖/錳酸鋰尖晶石結(jié)構(gòu)

目前，錳酸鋰的應(yīng)用范圍主要是小型電池，例如手機(jī)、數(shù)碼產(chǎn)品等，在動(dòng)力電池方面與磷酸鐵鋰能夠互為替代，因此產(chǎn)生了強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)，其發(fā)展方向?qū)?huì)向著高能量、高密度、低成本的趨勢(shì)發(fā)展。

結(jié)束語(yǔ)

鋰離子電池產(chǎn)品呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能手機(jī)、電腦等產(chǎn)品得到廣泛的應(yīng)用，這將使得對(duì)鋰離子電池的需求量變大，為其帶來(lái)較大的發(fā)展機(jī)遇。同時(shí)，車(chē)載鋰離子以及儲(chǔ)能電源等也逐漸得到發(fā)展，為鋰離子電池提供了新的增長(zhǎng)點(diǎn)。由此可見(jiàn)，在未來(lái)的發(fā)展中，必會(huì)加強(qiáng)對(duì)此方面的研究力度，使鋰離子電池的作用發(fā)揮到更大，這也將帶動(dòng)其電池材料不斷得到更新?lián)Q代。