三元锂正极材料结构和特点是什么？

电动汽车在追求整体性能超越传统燃油车的大背景下，对于能量密度的追求可以说是动力锂电池十年以上的热点。同时产生的安全问题，则是电池大规模商用化必须迈过去的门槛。而动力电池包内的其他设备的进步，比如电池管理系统，比如各种传感器等等，也能在进程中弥补一部分电池安全性的不足。

当前常见的锂电池，主要有三元锂、磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂等等，都是按照正极材料的类型来命名。与之配对使用的商业化负极材料一般都是石墨负极。基本工作原理如下图所示。

如上图所示。在充电过程中，由于电池外加端电压的作用，正极集流体附近的电子在电场驱动下向负极运动，到达负极后，与负极材料中的锂离子结合，形成局部电中性存放在石墨间隙中；消耗了部分锂离子的负极表面，锂离子浓度变低，正极与负极之间形成离子浓度差。在浓差驱动下，正极材料中的锂离子从材料内部向正极表面运动，并沿着电解质，穿过隔膜，来到负极表面；进一步在电势驱动作用下，向负极材料深处扩散，与从外电路过来的电子相遇，局部显示电中性滞留在负极材料内部。放电过程则刚好相反，包含负载的回路闭合后，放电过程开始于电子从负极集流体流出，通过外电路到达正极；终于锂离子嵌入正极材料，与外电路过来的电子结合。

负极石墨为层状结构，锂离子的嵌入和脱出的方式，在不同类型的锂离子中没有太大差异。不同正极材料，其晶格结构存在明显差异，充放电过程中的锂离子扩散进出，过程略有不同。

 三元锂正极材料结构和特点

三元材料是过去几年的热点，其中Ni成分，可以提高材料活性，提高能量密度；Co成分也是活性物质，既能稳定材料的层状结构，又能减小阳离子混排，便于材料深度放电，从而提高材料的放电容量；Mn成分，在材料中起到支撑作用，提供充放电过程中的稳定性。三元锂，基本上综合体现了几种材料的优点。

在三元材料这个大的类别下面，材料中三种金属元素比例不同，可以看成不同种类的三元材料。一类是Ni:Mn 等量型，第二类是Ni:Mn 不等量型。

等量型的代表是NCM424和NCM111。在充放电过程中，+4 价的Mn不变价，在材料中起到稳定结构的作用，+2 价的Ni变为+4 价，失去两个电子，使得材料有着高的比容量。

Ni、Mn不等量型，就是本文的主角，又叫高镍型三元锂，主要的代表型号是NCM523，NCM622和NCM811。富镍型三元材料在电压平台低于4.4 V（相对于Li+/Li）时，一般认为主要是Ni 为+2/+3 价参与氧化还原反应，化合价升高到+4 价。当电压高于4.4 V 时，Co3+参与反应变为+4 价，Mn4+不参加反应起稳定结构作用。