锂离子动力电池的性能提升的方法主要有哪些？
来源：宝鄂实业
2019-08-21 09:35
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目前已批量应用于锂电池的正极材料主要有钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、钴镍锰酸锂（三元材料）以及磷酸铁锂。
通常而言提升动力电池倍率性能主要是从材料的选择上入手，例如我们之前曾在文章《离子导电、电子导电傻傻分不清楚？你想知道的都在这里！》介绍过目前常见的高镍三元材料与传统的钴酸锂材料的离子和电子电导率对比【1】，常温20℃下，LCO材料的电子电导率最低仅为5x10-8S/cm，而NCM111材料电子电导率可达2.2x10-6S/cm，随着镍含量的进一步提高，三元材料的电子电导率也明显提高，NCM8111材料的电子电导率更是达到4.1x10-3S/cm，离子电导率方面也表现出了同样的趋势，LCO材料在20℃下，离子电导率仅为2.3x10-7S/cm，而NCM111材料离子电导率为3.2x10-6S/cm，NCM532位1.7x10-3S/cm，NCM622位3.4x10-3S/cm，NCM811材料更是达到了6.3x10-3S/cm，因此无论是从电子电导率还是离子电导率上来看三元材料，特别是高镍三元材料或者NCA材料都更加适合倍率型锂离子电池，当然除了材料的这些本征特性外，其倍率性能还受到形貌等多重因素的影响，例如小颗粒的材料表面积更大，Li+在颗粒内部的扩散距离更短，因此理论上会具有更好的倍率性能。
负极材料的选择种类比较多，例如小颗粒的中间相类的石墨材料，在倍率性能上都有较好的表现，澳大利亚联邦科学与工业组织（CSIRO）的能源技术部S.R. Sivakkumar, J.Y. Nerkar,A.G. Pandolfo【5】对不同类型和粒径的石墨材料进行评估表明，石墨材料的颗粒粒径越小则倍率性能越高，降低石墨表面涂层厚度也能够提升石墨负极的倍率性能。但是粒径缩小也带来了一系列的问题，例如可逆容容量的降低和压实密度的下降，同时研究也表明虽然上述措施能够提高石墨负极的放电倍率性能，但是却难以有效的提升石墨负极的充电倍率性能。
Li4Ti5O12材料本身具有较高的Li+扩散系数（10-16-10-15m2/S）【2】，同时钛酸锂电池材料因为电导率较低，生产中往往会制成纳米级的颗粒，因此进一步增大了活性面积，降低了Li+的扩散距离，钛酸锂电池因此具有非常优异的倍率性能，能够实现快速充电，这也正是董明珠看中银隆的原因，然而钛酸锂材料的电压平台为1.55V，理论可逆容量为170mAh/g，导致电池比能量较低，严重影响了电动汽车的续航里程，这也是导致银隆近期陷入危机的根源所在，正所谓成也萧何，败也萧何。为了解决钛酸锂存在的这些问题，同时保留其高倍率性能的优势，科研工作者做了大量的努力，日本东芝公司【3】开发的铌钛氧化合物NTO新型负极材料，该材料的可逆容量可达341mAh/g远远高于LTO材料，接近石墨材料，但是凭借着高压实密度的优势，在体积能量密度达到了石墨负极的两倍，同时该材料还保留了快速充电的特性，从0%SoC充电到90%SoC最快仅仅需要6min，几乎完美满足了电动汽车的需求，目前东芝公司已经宣布和双日公司Sojitz、巴西矿山公司CBMM达成了合作协议，共同开发生产该材料。
英国剑桥大学作为世界顶级学府，也在致力于开发高容量、大倍率的高性能锂离子电池负极材料，在最近发表在Nature的一篇文章中Kent J.Griffith【4】介绍了剑桥大学的最新研究成果：Nb16W5O55和Nb18W16O93材料，这两种材料在C/5倍率下可逆容量超过200mAh/g，Li+在两种材料中的扩散系数达到10-13-10-12m2/S，远远高于LTO（10-16-10-15m2/S）材料，因此能够微米级颗粒尺寸上就实现优异的倍率性能，较大的颗粒不仅降低了活性物质/电解液界面面积，减少了副反应的发生，更是大大增加了材料的压实密度，因此两种材料在单位体积容量方面表现异常出色，碾压所有负极材料。
钴酸锂：研究始于1980年，20世纪90年代开始进入市场。它属于α-NaFeO2型层状岩盐结构，结构比较稳定，是一种非常成熟的正极材料产品，目前占据锂电池正极材料市场的主导地位。但由于其高昂的价格和较差的抗过充电性，使其使用寿命较短，而且钴有放射性，不利于环保，因此发展受到限制。
镍酸锂：氧化镍锂的价格较钴酸锂便宜，理论能量密度达276mAh/g，但制作难度大，且安全性和稳定性不佳。技术上采用掺杂Co、Mn、Al、F等元素来提高其性能。由于提高镍酸锂技术研究需考察诸多参数，工作量大，目前的进展缓慢。
锰酸锂：锰资源丰富、价格便宜，而且安全性较高、易制备，成为锂离子电池较为理想的正极材料。早先较常用的是尖晶石结构的LiMn2O4，工作电压较高，但理论容量不高，与电解质的相容性不佳，材料在电解质中会缓慢溶解。近年新发展起来层状结构的三价锰氧化物LiMn2O4，其理论容量为286mAh/g，实际容量已达200mAh/g左右，在理论容量和实际容量上都比LiMn2O4大幅度提高，但仍然存在充放电过程中结构不稳定，以及较高工作温度下的溶解问题。
钴镍锰酸锂：即现在常说的三元材料，它融合了钴酸锂和锰酸锂的优点，在小型低功率电池和大功率动力电池上都有应用。但该种电池的材料之一——钴是一种贵金属，价格波动大，对钴酸锂的价格影响较大。钴处于价格高位时，三元材料价格较钴酸锂低，具有较强的市场竞争力；但钴处于价格低位时，三元材料相较于钴酸锂的优势就大大减小。随着性能更加优异的磷酸铁锂的技术开发，三元材料大多被认为是磷酸铁锂未大规模生产前的过渡材料。
磷酸铁锂：在所有的正极材料中，LiFePO4正极材料做成的锂离子电池在理论上是最便宜的。它的另一个特点是对环境无污染。此外，它在大电流放电率放电（5～10C放电）、放电电压平稳性、安全性、寿命长等方面都比其它几类材料好，是最被看好的电流输出动力电池。目前A123公司已能将磷酸铁锂正极材料制造成均匀的纳米级超小颗粒，使颗粒和总表面积剧增，进一步体高了磷酸铁锂电池的放电功率和稳定性。
