锂電(diàn)池已經與我們生(shēng)活息息相關，我們吃(chī)穿住行(xíng)都與之有(yǒu)着千絲萬縷的關系，但(dàn)是很(hěn)多(duō)人(rén)卻對锂電(diàn)池并不了解，這并不局限于普通(tōng)的消費者，即使是各種電(diàn)器(qì)的設計(jì)師(shī)對于锂電(diàn)池也是一知半解。下面惟尚将和(hé)大(dà)家(jiā)一起分享下關于锂電(diàn)池知識的系列文章，通(tōng)過這些(xiē)文章大(dà)家(jiā)将對锂電(diàn)池産生(shēng)一個(gè)系統的認識。
四、《锂電(diàn)池的能量密度和(hé)充放電(diàn)倍率》
四、 锂離子電(diàn)池的正負極材料
锂電(diàn)池的正負極材料直接關系着锂電(diàn)池的各種性能，比如電(diàn)池容量、壽命、充放電(diàn)倍率等。我們經常會(huì)看到磷酸鐵(tiě)锂，三元等專業的锂離子電(diàn)池術(shù)語，這些(xiē)都是根據锂離子電(diàn)池正極材料來(lái)區(qū)分锂離子電(diàn)池的類型。相對來(lái)講，锂離子電(diàn)池的正、負極材料對電(diàn)池性能的影(yǐng)響比較大(dà)，是大(dà)家(jiā)比較關心的方面。那(nà)麽，當前市場(chǎng)上(shàng)都有(yǒu)哪些(xiē)常見的正負極材料呢？用他們做(zuò)锂離子電(diàn)池，又有(yǒu)哪些(xiē)優缺點？
1. 正極材料
首先，我們來(lái)看看正極材料，正極材料的選擇，主要基于以下幾個(gè)因素考慮：
1) 具有(yǒu)較高(gāo)的氧化還(hái)原反應電(diàn)位，使锂離子電(diàn)池達到較高(gāo)的輸出電(diàn)壓；
2) 锂元素含量高(gāo)，材料堆積密度高(gāo)，使得(de)锂離子電(diàn)池具有(yǒu)較高(gāo)的能量密度；
3) 化學反應過程中的結構穩定性要好，使得(de)锂離子電(diàn)池具有(yǒu)長循環壽命；
4) 電(diàn)導率要高(gāo)，使得(de)锂離子電(diàn)池具有(yǒu)良好的充放電(diàn)倍率性能；
5) 化學穩定性和(hé)熱穩定性要好，不易分解和(hé)發熱，使得(de)锂離子電(diàn)池具有(yǒu)良好的安全性；
6) 價格便宜，使得(de)锂離子電(diàn)池的成本足夠低(dī)；
7) 制(zhì)造工藝相對簡單，便于大(dà)規模生(shēng)産；
8) 對環境的污染低(dī)，易于回收利用。
當前，锂離子電(diàn)池的能量密度、充放電(diàn)倍率、安全性等一些(xiē)關鍵指标，主要受制(zhì)于正極材料。
基于這些(xiē)因素考慮，經過工程研究和(hé)市場(chǎng)化檢驗，目前市場(chǎng)常見的正極材料如下表所示：
钴酸锂的商業化應用走的最早，第一代商業化應用的锂離子電(diàn)池就是SONY在1990年推向市場(chǎng)的钴酸锂離子電(diàn)池，随後在消費類産品中得(de)到大(dà)規模應用。随 着手機、筆記本、平闆電(diàn)腦(nǎo)的大(dà)規模普及，钴酸锂一度是锂離子電(diàn)池正極材料中銷售量占比最大(dà)的材料。但(dàn)其固有(yǒu)的缺點是質量比容量(不等同于能量密度)低(dī)，理(lǐ) 論極限是274mAh/g，出于正極結構穩定性考慮，實際隻能達到理(lǐ)論值的50%，即137mAh/g。同時(shí)，由于地球上(shàng)钴元素的儲量比較低(dī)，也導緻钴酸 锂的成本偏高(gāo)，難以在動力電(diàn)池領域大(dà)規模普及，所以钴酸锂正極材料将被其他材料逐步取代。
由于穩定性，安全性，材料合成困難等方面的缺點，鎳酸锂的商業應用較少(shǎo)，市場(chǎng)上(shàng)很(hěn)少(shǎo)看到，這裏不做(zuò)論述。
錳酸锂的商業化應用，主要在動力電(diàn)池領域，是锂離子電(diàn)池一個(gè)比較重要的分支。如日産的leaf純電(diàn)動轎車(chē)采用了日本AESC公司的錳酸锂離子電(diàn)池，早期 的雪弗蘭Volt也采用韓國LG化學的錳酸锂離子電(diàn)池。錳酸锂的突出優點是成本低(dī)，低(dī)溫性能好，缺點是比容量低(dī)，極限在148mAh/g，且高(gāo)溫性能差， 循環壽命低(dī)。所以錳酸锂的發展有(yǒu)明(míng)顯的瓶頸，近年來(lái)的研究方向主要是改性錳酸锂，通(tōng)過摻雜其他元素，改變其缺點。
磷酸鐵(tiě)锂材料在中國熱過一陣子，一方面受美國科研機構和(hé)企業在技(jì)術(shù)方面的帶動，另一方面受比亞迪在國內(nèi)的産業化推動，前幾年國內(nèi)的锂離子電(diàn)池企 業在動力電(diàn)池領域基本都以磷酸鐵(tiě)锂材料為(wèi)主。但(dàn)是随着全球各國對锂離子電(diàn)池能量密度的要求越來(lái)越高(gāo)，而磷酸鐵(tiě)锂的比容量理(lǐ)論極限是170mAh/g，而實 際上(shàng)隻能達到120mAh/g左右，已經無法滿足當前和(hé)未來(lái)的市場(chǎng)需求。此外，磷酸鐵(tiě)锂的倍率性能一般，低(dī)溫特性差等缺點，也限制(zhì)了磷酸鐵(tiě)锂的應用。最近 比亞迪搞出了一個(gè)改性磷酸鐵(tiě)锂材料，把能量密度提升了不少(shǎo)，還(hái)未透露具體(tǐ)的技(jì)術(shù)細節，不知道(dào)摻雜了什麽材料在裏面。就産品應用領域而言，電(diàn)力儲能市場(chǎng)應該 是磷酸鐵(tiě)锂離子電(diàn)池的一個(gè)重要市場(chǎng)，相對而言，這個(gè)市場(chǎng)對能量密度不是特别敏感，而對長壽命，低(dī)成本，高(gāo)安全性電(diàn)池的迫切需求，正是磷酸鐵(tiě)锂材料的優勢所 在。
日韓企業在近幾年大(dà)力推動三元材料的應用，鎳钴錳三元材料逐漸成為(wèi)市場(chǎng)的主流，國內(nèi)企業也采取跟随策略，逐步轉向三元材料。三元材料的比容量較高(gāo)，目前市場(chǎng)上(shàng)的産品已經可(kě)以達到170~180mAh/g，從而可(kě)以将電(diàn)池單體(tǐ)的能量密度提高(gāo)到接近200Wh/kg，滿足電(diàn)動汽車(chē)的 長續航裏程要求。此外，通(tōng)過改變三元材料的配比(x，y的值)，還(hái)可(kě)以達到良好的倍率性能，從而滿足PHEV和(hé)HEV車(chē)型對大(dà)倍率小(xiǎo)容量锂離子電(diàn)池的需 求，這也正是三元材料大(dà)行(xíng)其道(dào)的原因。從化學式可(kě)以看出，鎳钴錳三元材料綜合了钴酸锂(LiCoO2)和(hé)錳酸锂(LiMn2O4)的一些(xiē)優點，同時(shí)因為(wèi)摻 雜了鎳元素，可(kě)以提升能量密度和(hé)倍率性能。
鎳钴鋁三元材料，嚴格來(lái)說，其實算(suàn)是一種改性的鎳酸锂(LiNiO2)材料，在其中摻雜了一 定比例的钴和(hé)鋁元素(占比較少(shǎo))。商業化應用方面主要是日本的松下公司在做(zuò)，其他锂離子電(diàn)池公司基本沒有(yǒu)研究這個(gè)材料。之所以拿(ná)來(lái)對比，是因為(wèi)鼎鼎大(dà)名的 Tesla，就是使用松下公司的18650鎳钴鋁三元電(diàn)芯做(zuò)電(diàn)動汽車(chē)的動力電(diàn)池系統，并且做(zuò)到了接近500公裏的續航裏程，說明(míng)了這種正極材料，還(hái)是有(yǒu)其 獨特的價值。
以上(shàng)僅僅是比較常見的锂離子電(diàn)池正極材料，并不代表所有(yǒu)的技(jì)術(shù)路線。實際上(shàng)，不管是高(gāo)校(xiào)和(hé)科研院所，還(hái)是企業，都在努力研 究新型的锂離子電(diàn)池正極材料，希望把能量密度和(hé)壽命等關鍵指标提升到更高(gāo)的量級。當然，如果要在2020年達到250Wh/kg，甚至300Wh/kg的 能量密度指标，現在商業化應用的正極材料都無法實現，那(nà)麽正極材料就需要比較大(dà)的技(jì)術(shù)變革，如改變層狀結構為(wèi)尖晶石結構的固溶體(tǐ)類材料，以及有(yǒu)機化合物正 極材料等，都是目前比較熱門(mén)的研究方向。
2. 負極材料
相對而言，針對锂離子電(diàn)池負極材料的研究，沒有(yǒu)正極材料那(nà)麽多(duō)，但(dàn)是負極材料對锂離子電(diàn)池性能的提高(gāo)仍起着至關重要的作(zuò)用，锂離子電(diàn)池負極材料的選擇應主要考慮以下幾個(gè)條件：
1) 應為(wèi)層狀或隧道(dào)結構，以利于锂離子的脫嵌；
2) 在锂離子脫嵌時(shí)無結構上(shàng)的變化，具有(yǒu)良好的充放電(diàn)可(kě)逆性和(hé)循環壽命；
3) 锂離子在其中應盡可(kě)能多(duō)的嵌入和(hé)脫出，以使電(diàn)極具有(yǒu)較高(gāo)的可(kě)逆容量；
4) 氧化還(hái)原反應的電(diàn)位要低(dī)，與正極材料配合，使電(diàn)池具有(yǒu)較高(gāo)的輸出電(diàn)壓；
5) 首次不可(kě)逆放電(diàn)比容量較小(xiǎo)；
6) 與電(diàn)解質溶劑相容性好；
7) 資源豐富、價格低(dī)廉；
8) 安全性好；
9) 環境友(yǒu)好。
锂離子電(diàn)池負極材料的種類繁多(duō)，根據化學組成可(kě)以分為(wèi)金屬類負極材料(包括合金)、無機非金屬類負極材料及金屬氧化物類負極材料。
(1)金屬類負極材料：這類材料多(duō)具有(yǒu)超高(gāo)的嵌锂容量。最早研究的負極材料是金屬锂。由于電(diàn)池的安全問題和(hé)循環性能不佳，金屬锂作(zuò)為(wèi)負極材料并未得(de)到廣泛應用。近年來(lái)，合金類負極材料得(de)到了比較廣泛的研究，如錫基合金，鋁基合金、鎂基合金、銻基合等，是一個(gè)新的方向。
(2)無機非金屬類負極材料：用作(zuò)锂離子電(diàn)池負極的無機非金屬材料主要是碳材料、矽材料及其它非金屬的複合材料。
(3)過渡金屬氧化物材料：這類材料一般具有(yǒu)結構穩定，循環壽命長等優點，如锂過渡氧化物(钛酸锂等)、錫基複合氧化物等。
就當前的市場(chǎng)而言，在大(dà)規模商業化應用方面，負極材料仍然以碳材料為(wèi)主，石墨類和(hé)非石墨類碳材料都有(yǒu)應用。在汽車(chē)及電(diàn)動工具領域，钛酸锂作(zuò)為(wèi)負極材料也 有(yǒu)一定的應用，主要是具有(yǒu)非常優異的循環壽命、安全性和(hé)倍率性能，但(dàn)是會(huì)降低(dī)電(diàn)池的能量密度，因此不是市場(chǎng)主流。其他類型的負極材料，除了SONY在錫合 金方面有(yǒu)産品推出，大(dà)多(duō)仍以科學研究和(hé)工程開(kāi)發為(wèi)主，市場(chǎng)化應用的比較少(shǎo)。
就未來(lái)的發展趨勢而言，如果能有(yǒu)效解決循環性能，矽基材料将可(kě)能取代碳材料成為(wèi)下一代锂離子電(diàn)池的主要負極材料。錫合金，矽合金等合金類的負極材料，也 是一個(gè)非常熱門(mén)的方向，将走向産業化。此外，安全性和(hé)能量密度較高(gāo)的鐵(tiě)氧化物，有(yǒu)可(kě)能取代钛酸锂(LTO)，在一些(xiē)長壽命和(hé)安全性要求較高(gāo)的領域，得(de)到廣 泛應用。
