鋰離子電池正極材料有哪些?
鋰離子電池正極材料主要有鋰鎳氧化物,鋰鈷氧化物,鋰鈦氧化物,鎳鈷多元氧化物,鋰鐵磷氧化物,鋰錳氧化物這六大種類,每種都各自的優(yōu)缺點,具體如下:
鋰鈦氧化物
鋰鈦氧化物典型的代表就是鈦酸鋰,這個產(chǎn)品主要由珠海銀隆占據(jù)主導(dǎo)地位,其優(yōu)勢就是快充,這個優(yōu)勢可以將其劣勢忽略,那就是能量密度小,跑一段時間就需要充電,可以進行快充也相對比較方便,另外一個優(yōu)勢是安全,第三個優(yōu)勢是循環(huán)次數(shù)可以達到2萬次,但是其價格很高,這樣單次循環(huán)的價格就可以拉低。
鋰鎳氧化物
鋰鎳氧化物主要代表為鎳酸鋰,產(chǎn)品特性和鎳鈷氧化物類似,但是價格來說會比鎳鈷氧化物價格低,因其能量密度大,可以達到274mAh/g,是比較理想的搞能量密度的鋰離子電池正極材料,但是其安全性能太差,不夠問題,而且循環(huán)次數(shù)比較低,因此目前使用鎳酸鋰作為鋰離子電池正極材料的廠商不多。
鋰錳氧化物
鋰錳氧化物主要代表為錳酸鋰,高錳酸鋰,資源在我國境內(nèi)比較豐富,而且產(chǎn)品目前也是研究的熱點,其中LiMn2O4有著其較高的能量密度,但是穩(wěn)定性卻大大降低,尤其是在高溫條件下,LiMn2O4不穩(wěn)定,但是其主要優(yōu)勢比較明顯,產(chǎn)品無污染,安全性能良好。
鋰鈷氧化物
鋰鈷氧化物主要代表為鈷酸鋰,產(chǎn)品因價格高,產(chǎn)品其單體能量密度可以達到274mAh/g,但是其系統(tǒng)能量密度只能達到138mAh/g,其中有五高,高能量密度,高價格,高功率,高商業(yè)化程度,高循環(huán)壽命,不足也很明顯,價格過高,在中國鈷鹽嚴(yán)重缺乏的地理位置,鈷鹽都需要進口。
鎳鈷多元氧化物
這種就是我們常說的多元氧化物,目前最為常見的有鎳鈷錳酸鋰和鎳鈷鋁酸鋰,其中鎳鈷錳酸鋰又分為鎳鈷錳酸鋰111,鎳鈷錳酸鋰523,鎳鈷錳酸鋰622,鎳鈷錳酸鋰811,但是鎳鈷鋁酸鋰卻見得不多,大多都是松下公司提供給美國公司特斯拉進行使用,其中鎳鈷鋁酸鋰的比例為0.8比0.15比0.05。
鋰鐵磷氧化物
鋰鐵磷氧化物的主要代表為磷酸鐵鋰,使用最多的公司就是BYD,其產(chǎn)品各方性能均衡,能量密度135mAh/g,無毒無污染,循環(huán)次數(shù)不低于2000次,適宜溫度也可以在零下20度和50度的高溫下都對鋰離子電池正極材料影響不大,而且在作為乘用車的動力能源時,安全性能屬于高級別等級。
鋰離子電池正極候選材料按結(jié)構(gòu)主要可分為以下三類:(1)層狀結(jié)構(gòu)的LiMO2(M=Co、Ni、Mn)正極材料;(2)尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMn2O4正極材料;(3)橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4正極材料。
嵌鋰化合物正極材料的是鋰離子的貯存庫。為了獲得輸出電壓較高的鋰離子電池,作為電池正極的材料應(yīng)具備以下條件:
(1)相對鋰的電極電位高,正極材料組成不隨電位變化,離子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率高,有利于降低電池內(nèi)阻;
(2)鋰離子嵌入一脫嵌可逆性好,伴隨反應(yīng)的體積變化小,鋰離子擴散速度快,以便獲得良好的循環(huán)特性和天電流特征;
(3)與有機電解質(zhì)和粘結(jié)劑接觸性良好,熱穩(wěn)定性好,有利于延長電池壽命和提高安全性能;
(4)資源豐富,價格低廉,在空氣中穩(wěn)定、無毒等。目前,鋰離子電池正極材料主要有層狀的LiCoO2、LiNiO2,尖晶石型LiMn2O4,橄欖石型的LiFePO4以及三元復(fù)合材料LiMnxNiyCo1-x-yO2等。
正極材料是鋰離子電池發(fā)展的關(guān)鍵。
目前廣泛應(yīng)用的鋰離子電池正極材料是鉆酸鋰(LiCoO2),但由于鉆酸鋰中的Co在自然界中的儲量小,價格比較昂貴,有一定的毒性,而且在充電的過程中,鉆酸鋰由于金屬鋰的脫嵌部分變成CoO2,Co4+氧化性極強,容易引起燃燒、爆炸等安全事故。所以對發(fā)展大功率,大容量,需要多個單體電池串并聯(lián)的動力電池來說,采用鉆酸鋰存在巨大的安全隱患。
LiNiO2曾經(jīng)被寄予希望,至今未有較大突破,雖然具有較高的容量,但在制備上存在較大困難,難以合成純相的物質(zhì),而且存在一定的安全問題。
LiMn2O4雖然價格便宜,安全性能好,但是其理論容量不高,循環(huán)壽命、熱穩(wěn)定性和高溫性能較差。所以這些材料至今為止仍難以替代鉆酸鋰。
1997年,A.K.Padhi等首次報道磷酸鐵鋰(LiFePO4)能可逆的嵌入和脫嵌鋰離子,可充當(dāng)鋰離子電池正極材料,引起了人們的廣泛關(guān)注。
磷酸鐵鋰原料來源廣泛、價格便宜、無毒、對環(huán)境友好、理論比容量高(約170mAh.g-1),與其它鋰離子電池相比具有相對適中的工作電壓(3.4V,相對Li+/Li),不僅兼顧了LiCoO2、LiNiO2和LiMn2O4材料的優(yōu)點,而且熱穩(wěn)定好、安全性能優(yōu)越、循環(huán)性能突出,被認(rèn)為是標(biāo)志著“鋰離子電池一個新時代的到來”,特別是成為鋰離子動力電池正極材料的首選材料。