动力锂电池的几种正极材料之优劣比较

1.磷酸铁锂

 

 

 

磷酸铁锂（LiFePO4）材料具有原材料丰富、循环寿命长、安全性能好等诸多优点。但是由于磷酸铁锂离子电池一致性和能量密度较低，制约了其在电动汽车领域的发展。目前，业界一般认为磷酸铁锂比较适于储能系统，重要应用于基站和数据中心储能、家庭储能、风光电储能等领域。

 

 

 

2.锰酸锂

 

 

 

LiMn2O4是Wichham在1958年首先制备的正极材料，优点是价格低、热稳定性高。日本AESC公司将其实现了产业化。重要用在日产聆风电动汽车上的动力锂电池。锰酸锂材料具有资源丰富、成本低、无污染、安全性好、倍率性能好等优点，是理想的动力锂电池材料，在产业化的进程中要改善其较差的循环性能及电化学稳定性。

 

 

 

3.三元材料

 

 

 

三元材料LiNixCoyM1-x-yO2，M为锰（Mn）或铝（Al）称NCM或NCA是目前最有前途的动力锂电正极材料之一。

 

 

 

3.1镍钴锰三元材料（NCM材料）

 

 

 

镍钴锰三元材料（NCM）随着材料中镍（Ni）、钴（Co）、Mn组成比例的变化，材料的比容量、安全性等诸多性能能够在一定程度上实现可调控。Ni可以提高材料的放电容量；Co能减少阳离子混排情况的发生，有效稳定材料的结构；Mn既能提高材料的安全性和稳定性，又能降低材料的成本。目前在电动汽车上广泛使用的是Ni、Co、Mn比例分别为1∶1∶1或5∶2∶3的（简称NCM111及NCM523材料）体系。高镍NCM622材料（Ni、Co、Mn比例为6∶2∶2）是目前三元材料研究的热点之一。与已批量使用的NCM111材料相比，NCM622材料的比容量要高出10%以上。NCM622材料的应用有望将动力锂电池的能量密度提升至200Wh/kg。为此，少数国内外领先的正极材料公司重点投入NCM622材料的开发。国内如北京当升材料科技股份有限公司，在已有三元材料的基础上，顺利攻克了NCM622材料安全性能、循环性能、低温性能等多项关键技术。产品的放电比容量、倍率性能、高低温充放电性能和常温循环寿命优异，综合性能处于国际领先水平。北汽等国内知名车企已开始量产以NCM622为正极材料的纯电动汽车。

 

 

 

3.2镍钴铝酸锂三元材料（NCA材料）

 

 

 

镍钴铝酸锂三元材料（典型分子式为LiNi0.8Co0.15Al0.05O2，简称NCA）综合了LiNiO2和LiCoO2的优点，不仅可逆比容量高，材料成本较低，同时掺铝（Al）后增强了材料的结构稳定性和安全性，进而提高了材料的循环稳定性。NCA材料也是目前研究最热门的三元材料之一。

 

 

 

NCA材料具有优异的性能，应用领域也由最早的电动工具扩展为电动汽车，如AESC为日产（Leaf）、Panasonic为美国Tesla、PEVE为丰田（Pruisα）等车型供应的动力锂电池，其正极材料全部或部分为NCA材料。

 

 

 

2013年，美国Tesla正是由于动力锂电池正极材料使用了NCA材料，使汽车续航里程大幅提升，一举成为世界电动汽车领域最耀眼的新星。据报道，TeslaModelS的电池模块总容量高达85kWh，使用了约7600颗3.1Ah的18650电池。其单体电池的能量密度为252Wh/kg，电池模块的能量密度超过150Wh/kg，远高于当前行业80～120Wh/kg的平均水平。NCA材料的一些性能指标虽然表现优秀，但是材料的制备难度高。这类材料的开发和使用在日韩的先进公司中已经成熟并进入大规模量产阶段。国内生产公司如当升科技、湖南杉杉新材料有限公司、深圳天骄科技开发有限公司等已完成相关技术的初步探索，进行了中试和小批量试产。但由于多种因素的影响，NCA材料未在国内形成批量生产及销售，尚有一些技术问题要解决。可以预见，随着电动汽车市场的兴起，NCA材料的需求会大幅新增。国内公司需借此机会，加大投入，提前进行NCA材料国产化开发工作。

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