锂离子电池的正极和负极材料有什么不同?
来源：宝鄂实业
2019-12-26 13:54
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锂离子电池正极材料和负极材料有什么区别?锂离子电池分布在我们生活的各个角落。作为电能的载体和众多设备的动力源，可以说，没有锂离子电池，当今的物质世界就无法玩游戏。我们经常看到磷酸铁锂、三元锂离子电池的术语，这些都是锂离子电池负极材料来区分锂离子电池的类型。相比之下，锂离子电池的正极材料和负极材料对电池性能有很大的影响，这是我们非常关注的。那么，锂离子电池的正极和负极材料有什么不同呢?
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锂离子电池的基本组成部分
锂离子电池需要包含几种基本材料:正极活性材料、负极活性材料、隔离膜、电解液。
锂离子电池正极与负极材料差异
负极主要用于石墨，是一种用于正极的过量金属氧化物，如锂钴氧化物或锰酸锂、磷酸铁锂等。
正极的电位比负极高，两者之间的电位差构成电池电压。
锂离子电池正极材料
负极材料是决定锂离子电池性能的关键材料之一，也是商用锂离子电池中锂离子的主要来源。目前，锂钴氧化物、锂铁磷酸盐、锰酸锂、锂镍钴锰氧化物(NCM)和铝酸镍镍钴酸锂(NCA)已成功开发应用。
1. 锂钴氧化物
锂钴氧化物因其生产工艺简单、电化学性能稳定等优点，是国内最早实现商业化的锂钴氧化物。同时，氧化锂钴具有工作电压高、充放电电压稳定、适用于大电流充放电、比能高、循环性能好等优点，在小型可充电电池领域有着重要的应用。锂钴氧化物阴极材料的缺点是价格昂贵，实际比容量仅为理论容量274mAh/g的50%左右;锂钴氧化物的循环寿命已达到1000倍，但仍需进一步提高。此外，锂钴氧化物抗过充能力差，在较高的充电电压下比容量迅速下降。
2. 三元材料
近年来，层状锂嵌入多金属过渡正极材料发展迅速，特别是新型的含钴、镍、锰的过渡金属嵌入锂氧化物复合材料。
3.锰酸锂
与锂钴酸、锂镍酸相比，锂锰酸具有安全性好、抗过充性好、原料锰资源丰富、价格低廉、无毒等优点。片层状锰酸锂作为锂离子电池的负极材料，其缺点是虽然容量很高，但在高温下不稳定，在充放电过程中容易转变为尖晶石结构，导致容量衰减过快。
4. 磷酸亚铁锂
随着动力电池的发展，国内大多数制造商倾向于使用磷酸铁锂材料。是一种新型的锂离子电池正极材料。该材料具有能量密度高、价格低廉、安全性好等特点，特别适用于动力电池。它的出现是锂离子电池材料的重大突破，已成为许多国家的热点话题。磷酸铁锂是目前最有前途的电力电池正极材料。由于磷酸铁锂生产的技术门槛较高，在批量生产时，大多数厂家很难保证产品的稳定性。其缺点是电阻率高，电极材料利用率低。因此，研究工作主要集中在解决电导率问题上。另外，磷酸铁锂的专利问题也是磷酸铁锂行业在发展过程中需要解决的问题。
锂离子电池负极材料
锂电池的主要负极材料有锡基材料、锂基材料、钛酸锂、碳纳米材料、石墨烯材料等。锂电池正极材料的能量密度是影响锂电池能量密度的主要因素之一。
1. 碳纳米管
碳纳米管是一种石墨化结构的碳材料，具有良好的导电性。同时，由于脱锂时深度小，行程短，作为负极材料，大倍率充放电时极化效应小，可以提高电池大倍率充放电性能。
但当碳纳米管直接用于锂电池正极材料时，会出现不可逆容量大、电压滞后、放电平台不明显等问题。例如，Ng等人采用简单过滤法制备单壁碳纳米管，直接作为阴极材料，一次放电容量为1700mAh/g，可逆容量仅为400mAh/g。
石墨烯
英国曼彻斯特大学的研究人员在2004年首次发现了石墨烯，并获得了诺贝尔奖。石墨烯是一种由碳六元环构成的新型碳材料。它具有比表面积大、导热系数高、电导率高、机械性能好等优良性能。因此，它作为锂离子电池的材料引起了广泛的关注。
3.钛酸锂
尖晶石型钛酸锂被认为是一种具有以下优点的阴极材料:
1)钛酸锂在去锂前后几乎“零应变”;
2)嵌入锂具有高电位(1.55v)，避免产生“锂枝晶”，安全性高;
3)具有非常平坦的电压平台;
4)化学扩散系数高，库仑效率高。
4. 硅基材料
硅作为锂离子电池的理想负极材料，具有以下优点:
1)硅可以与锂形成Li4.4Si合金，锂的理论存储容量高达4200mAh/g(比石墨容量的10倍以上);
2)硅的嵌入锂电位(0.5v)略高于石墨，充电时不易形成“锂枝晶”;
3)硅与电解质反应活性低，不会出现有机溶剂共包埋现象。
5. 锡合金
SnCoC是一种已成功商品化的锡合金负极材料。Sn、Co和C在原子水平上混合均匀，而不是结晶。该材料能有效抑制电极材料在充放电过程中的体积变化，提高循环寿命。
6. 氧化锡
SnO2因其高理论比容量(781mAh/g)而备受关注。但在应用中也存在一些问题:第一次不可逆容量大，嵌锂时体积效应大(体积膨胀250% ~ 300%)，循环易团聚。实验表明，石墨作为载体不仅能使SnO2颗粒更均匀地分散，而且能有效地抑制颗粒团聚，提高材料的循环稳定性。
随着我国经济的快速发展，对新型电池材料的需求不断增加，加之手机、笔记本电脑、数码相机、摄像机、汽车等产品对新型、高效、环保的电池材料需求强劲，我国新型电池材料市场将继续扩大。锂电池正极材料是保证电池安全的关键。在锂离子电池正极材料中，石墨化中间相碳微球、无定形碳、硅或锡的市场份额较小，天然石墨和人工石墨的市场份额超过90%。锂电池作为电池未来的发展方向，其正极和负极材料的市场发展前景非常好。
