锂离子电池正负材料知识讲解
来源：宝鄂实业
2019-10-19 21:19
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锂离子电池正负材料
我们经常看到磷酸铁锂、三元锂等专业锂离子电池术语，它们都是根据锂离子电池的正极材料来区分锂离子电池的类型。相对而言，锂离子电池的正负极材料对电池的性能有很大的影响，这是人们非常关注的问题。那么，目前市场上常见的正负材料有哪些？使用它们作为锂离子电池有哪些优点和缺点？
一。正极材料
首先，让我们看看积极材料的选择，主要基于以下因素：
1）高氧化还原电位，使锂离子电池达到高输出电压。
2）锂元素含量高，材料堆积密度高，使得锂离子电池具有较高的能量密度。
3）化学反应过程中结构稳定性好，使锂离子电池具有较长的循环寿命；
4）导电率高，使锂离子电池具有良好的充放电比性能；
5）化学和热稳定性好，不易分解和受热，使锂离子电池具有良好的安全性；
6）价格低，锂离子电池成本低；
7）制造工艺相对简单，便于大规模生产；
8）对环境污染小，易于回收利用。
目前，锂离子电池的能量密度、充放电比、安全性等关键指标主要由正极材料控制。
基于这些因素，通过工程研究和市场调研，市场上常见的阴极材料如下表所示：
锂离子电池八参数及正负极材料分析
第一代商用锂离子电池是索尼于1990年推出市场的锂离子电池，随后被广泛应用于消费品中。随着手机、笔记本电脑和平板电脑的大规模普及，钴酸锂一度占据锂离子电池正极材料销售的最大比重。但其固有的缺点是质量低于容量（不等于能量密度），理论极限为274mah/g，考虑正结构的稳定性，只能达到理论值的50%，即137mah/g。由于钴元素在地球上的储量相对较低，钴酸锂的成本也较高，很难在动力电池领域得到广泛应用，因此钴酸锂正极材料将逐渐被其他材料替代。
由于铌酸锂具有稳定性、安全性、材料合成困难等缺点，其商业应用较少，在市场上也很少见到，因此本文不作讨论。
2.阴性物质
相对而言，目前锂离子电池的负极材料并不多，但负极材料在提高锂离子电池性能方面仍起着重要作用。锂离子电池负极材料的选择应主要考虑以下条件：
1）采用层状或隧道结构，便于锂离子解块；
2）锂离子解块过程中没有结构变化，具有良好的充放电可逆性和循环寿命。
3）锂离子应尽可能多地嵌入和分离，使电极具有较高的可逆容量。
4）氧化还原反应电位低，用正极材料使电池具有较高的输出电压。
5）第一次不可逆放电比容量小；
6）与电解液溶剂相容性好；
（7）资源丰富，价格低廉；
8）安全性好；
9）环境友好。
锂离子电池负极材料种类繁多，根据化学成分可分为金属负极材料（包括合金）、无机非金属负极材料和金属氧化物负极材料。
（1）金属阳极材料：这些材料大多具有超高的锂容量。研究的第一种阳极材料是锂金属。由于电池的安全问题和循环性能差，金属锂作为负极材料并没有得到广泛的应用。近年来，合金阳极材料得到了广泛的研究，如锡基合金、铝基合金、镁基合金、锑基合金等，这是一个新的方向。
（2）无机非金属负极材料：作为锂离子电池负极的无机非金属材料主要有碳材料、硅材料等非金属复合材料。
（3）过渡金属氧化物材料：这些材料通常具有结构稳定、循环寿命长的优点，如锂过渡氧化物（钛酸锂等）、锡基复合氧化物等。
从目前市场来看，在大规模商业应用方面，阳极材料仍以碳材料为主，石墨和非石墨碳材料均有应用。在汽车和电动工具领域，钛酸锂作为负极材料有一定的应用，主要是具有非常优异的循环寿命、安全性和倍率性能，但它会降低电池的能量密度，因此并不是市场的主流。除了索尼的锡合金产品外，其他类型的阳极材料大多仍以科研和工程开发为主，很少有面向市场的应用。
就未来发展趋势而言，如果能有效解决循环性能问题，硅基材料很可能取代碳材料成为下一代锂离子电池的主要负极材料。锡合金、硅合金等合金负极材料也是一个非常热门的方向，将走向产业化。此外，具有高安全性和能量密度的氧化铁可以替代钛酸锂（LTO），其在某些领域有着广泛的应用，对长寿命和安全性有很高的要求。
