锂离子电池正极材料概述

龙源期刊网

锂离子电池正极材料的研究进展

作者：何元涛

来源：《科学与财富》2018年第13期

摘 要： 锂离子电池是现阶段电池发展的高度集合，是被公认的理想能量储存转化中介。锂离子电池集高能量密度、高比容量及适应能力好等优点被大众认可。对锂离子电池的研究主要在于正极材料的研究进展。本文对锂离子正极材料的现状进行了研究，对其发展趋势进行了预测。

关键词： 锂离子电池；正极材料；复合材料

锂离子电池相较于其他的电池而言，其优势在于其能量密度大、高比容量、电池寿命长、较为环保等。现阶段锂离子电池已经被广泛的应用于电子产品、新能源汽车的电池和风力发电、水力发电中的储电设备。随着社会的发展，对锂电池的要求越来越高，而正极材料的性质是锂电池发展的关键。而正极材料需要符合下面条件（1）电池的容量较大、充放电过程稳定（2）充放电过程的动力学平缓。（3）充放电过程锂离子可逆性强。下面对现有的六种正极材料进行了研究，并对锂离子正极材料发展趋势进行了预测。

1 锂离子电池主要正极材料研究进展

1.1钴酸锂LiCoO2

自从1990年日本Sony公司第一次将以LiCoO2作为正极材料的锂离子电池投放市场并商业化应用以来[1]，LiCoO2就作为商业化正极材料不断发展并应用至今。LiCoO2材料的放电平台在4.2V左右，它的理论放电比容量为272mAh/g，具有工作电压高、自放电小、循环性能优异等优点。LiCoO2作为正极材料的主要缺点是钴作为稀有资源，价格昂贵，热稳定性差，而且在大倍率放电时循环容量衰减非常严重。Hudaya等[2]利用磁控溅射法制备了具有三维空间结构的LiCoO2正极薄膜电极，并在表面沉积包覆聚合物稳定后的富勒烯C60，最终制备的锂离子电池在0.1C下首次放电比容量高达175mAh/g，并且倍率循环性能优异。研究者认为构建三维结构和进行表面C60包覆可以提高LiCoO2正极材料的比表面积以及电子和锂离子迁移率，同时抑制了Co3+离子在电解液中的副反应。Dai等[3]同样利用磁控溅射技术在LiCoO2正极薄膜电极表面沉积包覆Al2O3掺杂的ZnO保护膜，减少了Li+迁移时的界面阻抗，提高了电子迁移率，此外该类氧化物保护膜还能够与电解液分解产生的HF反应形成ZnF2、AlOxFy等化合物，明显抑制了电化学反应过程中的产气现象。（此后都没改）

锂离子电池正极材料的制备方法

 作为锂离子电池材料工业化制造、批量化生产系列的最后一篇，本文主要

介绍正极材料的相关的合成方法以及相关技术手段，相比较其他三大主材，

正极材料的工业化生产工序较多，合成路线也相对比较复杂，对温度、环境、

杂质含量的控制也比较严格，正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、

三元材料等，由于目前市场上能量密度高的动力电池正极材料均是不同配比

的三元材料，所以本文就以三元材料入手，开始介绍材料的工业化生产方法。

 三元材料的起源：

 三元材料最早可以认为来自于20世纪90年代的掺杂研究，如对LiCoO2

，LiNiO2等掺杂，在LiNiO2中通过掺杂Co的研究，形成LiNi1-xCoxO2系

列正极材料，在20世纪90年代后期，有关学者进行了在LiNi1-xCoxO2中

掺杂Mg，Al以及Mn的研究。法国Saft -LiNi1-x-yCoxAlyO2与LiNi1-x-yCoxMgyO2，但早期的Li(Ni,Co,Mn)O2没有阐明反应机理与采用合适的制

备方法，21世纪初，日本Ohzuku与加拿大J.R. Dahn，利用氢氧化物共沉淀

法制备出一系列Li(Ni,Co,Mn)O2化合物。其中，镍是主要的电化学活性元素，

锰对材料的结构稳定和热稳定提供保证，钴在降低材料电化学极化和提高倍

率特性方面具有不可替代的作用。三元材料具有高的比容量，良好的循环性

第２４卷第１期　２０１１年１月　机电产品开崖与　新　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　Ｖｏ１．２４．ＮＤ．１　Ｊａｎ．．２０１　１　文章编号：１００２—６６７３（２０１　１）０１—０４１—０２　锂离子电池正极材料的研究　杜啸岚，李建修　（平顶山工业职业技术学院，河南平顶山４６７０００）　摘　要：能源问题与国家经济和安全密切相关，能源政策是关于国家未来的根本大计。根据中国政府网今　年１０月１８日刊登的《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》；我国计划用２０年时　间使新能源等七大战略新兴产业整体创新能力和产业发展水平达到世界先进水平．为经济社会可　持续发展提供强有力的支撑。可见我国对新能源的重视已达到战略高度．而电池行业作为新能源　领域的重要组成部分，已经成为全球经济发展的一个新热点　关键词：锂离子；正极：材料　中图分类号：ＴＱ１５　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—６６７３．２０１１．０１．０１５　０引言　能源问题与国家经济和安全密切相关，能源政策是　关于国家未来的根本大计。根据中国政府网今年１０月　１８日刊登的《国务院关于加快培育和发展战略性新兴　产业的决定》我国计划用２０年时间使新能源等七大战　略新兴产业整体创新能力和产业发展水平达到世界先进　水平，为经济社会可持续发展提供强有力的支撑。可见　我国对新能源的重视已达到战略高度，而电池行业作为　新能源领域的重要组成部分，已经成为全球经济发展的　一个新热点。　电极是电池的核心，由活性物质和导电骨架组成。　正负极活性物质是产生电能的源泉，是决定电池基本特　性的重要组成部分。本文就锂离子电池的正极材料进行　研究　１正极材料的选材要求　正极材料的性能和价格等是制约锂离子电池进一步　发展的瓶颈，一般来说，锂离子电池正极材料的选择主　要遵循以下原则：①嵌／脱锂电位高，以保证电池较高　的工作电压；②嵌／脱锂容量高，以保证电池的高比容　量和比能量；③在所需要的充放电位范围内。具有与电　解质优良的相容性；④温和的电极过程动力学；⑤高度　嵌／脱锂可逆性；⑥全锂状态下在空气中的稳定性好；　⑦原料廉价易得；⑧制备工艺简单。　收稿日期：２０１０—１１—２９　作者简介：杜啸岚（１９７４一），女，高校讲师。　２正极材料的主要类型及其特点　目前，生产实践和科学实践中已经涌现出多种锂离　子电池正极材料，按照材料的化学组成，正极材料可分　为过渡金属嵌锂氧化物、金属氧化物、金属硫化物和其　它正极材料，而商品锂离子电池使用的只有过渡金属嵌　锂氧化物。由于过渡金属嵌锂氧化物是目前商品化锂离　子电池的正极材料，这里重点介绍这类材料。　２．１层状锂钴氧化物（ＬｉＣｏＯ　）　钴酸锂材料是最早广泛应用，工艺最成熟的正极材　料。ＬｉＣｏＯ　的可逆性、放电容量、充放电效率、工作电　压和稳定性等电化学性能均十分优良。因此，作为锂离　子电池的正极材料从１９９０年步入市场后，一直处于垄　断地位。但由于自然界中钴资源缺乏，ＬｉＣｏＯｚ的成本较　高，因此，必须开发更廉价易得的材料．于是涌现出了　ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎＯ、ＬｉＦｅＰＯ　等多种过渡金属的嵌锂化合物。　２．２层状锂镍氧化物（ＬｉＮｉ０２）　ＬｉＮｉＯ：是继ＬｉＣｏＯ　后研究较多的层状化合物。镍与　钴的性质相近，价格比钴低廉。这种材料对电解质组成　不敏感，不污染环境，自放电率低，不存在过充电和过　放电的限制。资源相对丰富价格便宜，是一种很有希望　代替ＬｉＣｏＯ　的正极材料。但目前仍然没有合成纯的稳定　结构的锂镍氧化物用作正极材料。第一．没有严格化学　计量比的ＬｉＮｉＯ：合成出来，很多报道都是富镍化合物形　式的Ｌｉ　ｉ　Ｏ２，在微观结构上部分镍原子处于锂离子层　的位置上，与ＮｉＯ：层连接在一起，从而减少了锂的扩　散系数和电极的能量容量。第二，缺锂型化合物因平衡　

龙源期刊网

锂离子电池正极材料的质量管理

作者：贾红英

来源：《科技创新导报》2017年第17期

摘 要：锂离子电池的性能与正极材料的质量息息相关，该文介绍了几种对锂离子电池性能有显著影响的正极材料的失效形式，如混入金属异物、水分超标、批次一致性差等，阐明了这些失效形式对电池性能造成的严重危害，以及从质量管理角度对如何避免这些失效的发生进行了说明，为进一步预防质量问题的发生、提高锂离子电池的品质作出有力保证。

关键词：锂离子电池 正极材料 质量管理

中图分类号：TM91 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（b）-0174-02

众所周知，正极材料是锂离子电池的关键核心材料之一，其性能直接影响了锂离子电池的各项性能指标，目前已经市场化的锂离子电池正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等产品[1]。相比于锂离子电池的其他原材料，正极材料的品种更加多样化，生产工艺也更加复杂，品质失效的风险也就更大，因而对其质量管理的要求也就更高。该文从材料使用者的角度谈一谈锂离子电池正极材料常见的失效形式以及相应的预防措施。

1 正极材料中混入金属异物

当正极材料中存在铁（Fe）、铜（Cu）、铬（Cr）、镍（Ni）、锌（Zn）、银（Ag）等金属杂质时，电池化成阶段的电压达到这些金属元素的氧化还原电位后，这些金属就会先在正极氧化再到负极还原，当负极处的金属单质累积到一定程度，其沉积金属坚硬的棱角就会刺穿隔膜，造成电池自放电[2]。自放电对锂离子电池会造成致命的影响，因而从源头上防止金属异物的引入就显得格外重要。

正极材料生产工序较多，制造过程中的每一个环节都会有金属异物引入的风险，这就对材料供应商的设备自动化程度及现场质量管理水平提出了更高要求。但材料供应商往往由于成本限制，其设备自动化程度较低，生产制造工序断点较多，不可控的风险增加。因此，电池制造商为了保证电池性能稳定，预防自放电发生，必须推动材料供应商从人、机、料、法、环五大方面防止金属异物引入。