介紹一塊鈷酸鋰為正極材料的鋰離子軟包電池

華為手機、小米手機、iPhone手機、均具備一塊鈷酸鋰為正極材料的鋰離子軟包電池。藍牙耳機、智能手表、無人機也均具有鈷酸鋰為正極材料的鋰離子電池。

鈷酸鋰化學式為LiCoO2，最早由美國科學家古德納夫（Goodenough）研發(fā)成功。

古德納夫發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰具有層狀晶體結(jié)構(gòu)α-NaFeO2，在一定的電壓下（3.7V左右），鋰離子能夠在層狀結(jié)構(gòu)的通道中快速地嵌入與脫出，且具有高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。鈷酸鋰理論克容量發(fā)揮可達274mAh/g（克容量的值未明確說明由誰測得）。

古德納夫的研究發(fā)現(xiàn)奠定了鈷酸鋰作為消費類電子產(chǎn)品中鋰離子電池正極材料的基礎。

鈷酸鋰具有較高的粉體壓實密度（個人理解：即壓實密度，壓實密度=面密度/材料的厚度，壓實密度與片克容量、效率、內(nèi)阻、電池循環(huán)性能有密切關(guān)系），制備的極片不僅容量高，而且厚度薄。

綜上，鈷酸鋰在對電池體積能量密度敏感的數(shù)碼產(chǎn)品中應用，具有無可替代的優(yōu)勢。因此，鈷酸鋰為正極材料的鋰離子電池廣泛應用于手機、藍牙耳機、智能手表、無人機等。

然而，鈷（Co）是地球上一種稀缺的金屬資源，主要分布在剛果金等少數(shù)國家。受全球政治和國際環(huán)境等多方面的影響，金屬鈷（Co）的價格高而且容易波動。

鈷酸鋰正極材料中，鈷的質(zhì)量百分比為60%左右，鈷的含量高決定了鈷酸鋰的價格昂貴且易波動。

中國是全球最主要的金屬鈷消費國以及鈷酸鋰正極材料生產(chǎn)國，中國鈷酸鋰正極材料的生產(chǎn)主要集中在廈門鎢業(yè)、湖南杉杉、天津巴莫等少數(shù)幾家大型材料公司。

目前。商業(yè)化鈷酸鋰正極材料的合成方法相對成熟，一般使用高溫固相法進行合成，大致可分為三個步驟：

（1）將四氧化三鈷（Co3O4）與碳酸鋰（Li2CO3）粉末進行固相混合。

（2）混合后的粉末在900℃以上的高溫進行燒結(jié)，反應方程式如下：

4Co3O4+6Li2CO3+O2→12LiCoO2+6CO2

（3）高溫燒結(jié)生成的粉體再經(jīng)過粉碎分級工序，可生成微米級顆粒尺寸的鈷酸鋰正極材料。

圖片來源：學堂在線《鋰離子電池材料與技術(shù)》

鈷酸鋰材料的研發(fā)方向集中在提高能量和提高功率。在提高鈷酸鋰材料的能量密度、功率密度的情況下，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性是學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界共同面臨的技術(shù)難題。

針對上述技術(shù)難題，鈷酸鋰材料的改性有三種路徑：

（1）對鈷酸鋰微米級粉末的形貌與粒度分布進行優(yōu)化，在粉體加工工藝方面，減少晶格與界面（材料原子及微觀結(jié)構(gòu)的描繪）的缺陷。

（2）在鈷酸鋰體相晶格中進行金屬離子（如Zr4+、Al3+、Mg2+）摻雜，提高高脫鋰狀態(tài)下層狀結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性。

（3）在粉體顆粒的表面進行部分金屬氧化物（ZrO2、TiO2、Al2O3）的包覆，以提高電化學反應界面處的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

現(xiàn)階段應用于4.45V充電電壓下的鈷酸鋰已開發(fā)成熟且穩(wěn)定量產(chǎn)，克容量發(fā)揮在180mAh/g以上。未來隨著消費者對電子產(chǎn)品續(xù)航時間要求的進一步提升，科研人員將進一步開發(fā)4.48V、4.5V充電截止電壓下，兼顧高容量與長壽命的鈷酸鋰材料。

審核編輯：劉清