电池性能角度来讲锂电池对正极材料的要求有哪些？
来源：宝鄂实业
2019-08-19 11:04
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2.2正极材料的主元素含量
锂离子电池中的正极材料都是含锂的氧化物，一般锂含量越高，容量越高。比如锰酸锂的Li含量仅为4.2%，而钴酸锂和镍酸锂达到约7.1%，富锂锰基的则可高达约10%。材料组成固定的话，主元素含量应该以实际测试平均值加公差的形式给出，以达到相应的电化学活性并保持批次之间的稳定性。锂离子电池中的正极材料都是含锂的氧化物，一般锂含量越高，容量越高。比如锰酸锂的Li含量仅为4.2%，而钴酸锂和镍酸锂达到约7.1%，富锂锰基的则高达约10%。材料组成固定的话，主元素含量应该以实际测试平均值加公差的形式给出，以达到相应的电化学活性并保持批次之间的稳定性。
从电池性能角度来讲讲锂电池对正极材料的要求
2.3正极材料的晶体结构
锂离子电池正极材料的晶体结构主要分3类：α-NaFeO2层状型、橄榄石型、尖晶石型（表下图3）。正极材料中，LiCoO2的纯相比较容易制备，产品具有α-NaFeO2层状结构，对应于美国粉末衍射标准联合委员会（JointCommitteeonPowerDiffractionStandards，简称JCPDS）发布的50-0653#卡片；LiMn2O4的纯相更容易得到，产品具有尖晶石立方结构，对应于JCPDS5-0782#卡片；LiFePO4因其Fe为+2价，必须在惰性气氛中制备，产品具有橄榄石结构，对应于JCPDS83-2092#卡片。
从电池性能角度来讲讲锂电池对正极材料的要求
2.4正极材料的粒度分布
正极材料的粒度大小会直接影响电池浆料和极片的制备，一般大粒度材料浆料黏度低、流动性好，可以少用溶剂、固含量高。
正极材料的颗粒大小通常采用激光粒度仪测试，将粒度分布曲线中累积分布为50%时最大颗粒的等效直径D50视作平均粒径。正极材料粒度及其分布是与前驱体、烧结、破碎工艺密切相关的，通常情况下应呈现正态分布。钴酸锂一般以四氧化三钴和碳酸锂为原料制备，其烧结特性很好，可通过控制Li/Co、烧结温度、升温速度等关键因素使其长大，因此对原料要求较低。通过烧结粘连长大、破碎的粉体材料易出现大的异形颗粒，制浆涂布成型时易出现划痕、断带，因此钴酸锂标准对粒度分布曲线中最大颗粒的等效直径Dmax作了限制。
锰酸锂大多采用了与碱锰电池相同的原料——电解二氧化锰（EMD），其生产工艺是通过电解工艺沉积出整块的MnO2板，再通过剥离、破碎得到。原料本身存在大的异形颗粒，因此锰酸锂标准对Dmax也作了限制。动力型锰酸锂的Dmax较小，主要是考虑到采用球形锰源前驱体的因素，粒度分布可控。镍钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂等材料在产业化时，通常采用化学共沉淀来实现Ni、Co、Mn、Al等元素的原子级别混合，并通过控制结晶实现高密度。因此，此类材料的粒度分布相对于钴酸锂较窄，标准中提出了D10、D90的要求，可以进一步计算K90作为反映粒度分布宽窄的指标
从电池性能角度来讲讲锂电池对正极材料的要求
D50的大小设计也有不同应用的考虑，倍率型材料通常D50小，以缩短Li+在正极颗粒内部固相扩散的距离。高压实型材料通常D50较大，并大多采用Bimodal方式，使小颗粒充分填隙于大颗粒之间，以实现最密堆积效果。
从电池性能角度来讲讲锂电池对正极材料的要求
2.5正极材料的密度
锂离子电池体积能量密度很大程度上取决于活性物质密度。正极材料的密度与其所含元素的原子量、晶体排布方式、结晶程度、球形度、颗粒大小及分布、致密度等密切相关，受制备工艺影响。正极材料的密度分为松装密度、振实密度、粉末压实密度、极片压实密度、理论密度等。
松装密度（apparentdensity，简称AD）通常采用斯柯特容量计法测量：粉末经筛网自由流入布料箱，交替通过4块倾斜角为25°的玻璃板，经漏斗按一定高度自由落下充满量杯，由粉体净重和量杯体积计算得到结果。
振实密度（tapdensity，简称TD）是将一定重量的粉末加入有刻度的透明量器中，在规定条件下经一定振幅和频率的振动规定次数或时间后，测得单位容积粉末的重量。
粉末压实密度（pelletdensity，简称PD）是将一定重量的粉末加入具有固定直径和高度的硬质模具中，在压力作用下粉末产生移动和变形，形成具有一定密度和强度的压坯。由粉体净重和压缩体积计算得出结果。
极片压实密度（pressdensity）是将材料与少量的黏结剂、导电剂混合制浆，经涂布、烘干、碾压成正极片，压实密度=面密度×(极片碾压厚度集流×体厚度)。以不同的压力碾压后，对折极片不出现透光的临界状态对应的数值是极限压实密度。
理论密度（theoreticaldensity）是假设材料没有任何宏观和微观缺陷的理想晶体，利用XRD测量晶格常数得到晶胞体积，用它去除单个晶胞内所有原子的总质量得到。振实密度测试方法简单，是衡量正极活性材料的一个重要指标。
列出了常见正极材料的振实密度、极片压实和理论密度数据。LCO理论密度达到5.06g/cm3，其次是NCM、NCA、LMO、OLO，LFP最低，仅为3.57g/cm3。从中不难看出，钴酸锂密度最高，这也是其在智能手机市场无法被其它材料取代的重要原因。同一种材料，用于倍率型电池因采用了小颗粒解决方案，其对应的振实密度和压实密度都呈现较大幅度的下降。磷酸铁锂因其理论密度最低、D50最小，振实密度和极片压实密度都在常见的几种正极材料中垫底。
从电池性能角度来讲讲锂电池对正极材料的要求
2.6正极材料的比表面积
正极比表面积大时，电池的倍率特性较好，但通常更易与电解液发生反应，使得循环和存储变差。正极材料比表面积与颗粒大小及分布、表面孔隙度、表面包覆物等密切相关。在钴酸锂体系里，小颗粒的倍率型产品对应的比表面积最大。磷酸铁锂因导电性差，颗粒以纳米团聚体形式设计、且表面包覆了无定形的碳，导致其比表面积在所有正极材料中最高。锰系材料与钴系相比，本身存在难以烧结的特点，其比表面积也整体较大。
