浅谈锂离子电池正极材料的应用

陈嘉

摘 要：锂离子电池最早于1990年研究成功，截止到目前，已经在各类电子产品中得到了应用，作为一种新能源电池，锂离子电池有着理想的性价比与综合性能，应用范围涵盖到笔记本电脑、移动电话、武器设备、摄录机等等，在储能、航天、电动汽车领域中，也逐渐展露头角。本文主要针对锂离子电池正极材料的应用进行分析。

关键词：锂离子电池；正极材料；应用

随着科学技术的不断发展，手机、笔记本电脑、摄像机等电子产品迅速发展起来，对优性能锂离子电池的需求量一直保持持续增长趋势。而电池由正极材料、负极材料、隔膜、电解液等部分组成，其中对锂离子电池性能影响最大的是正极材料。

1 锂离子电池正极材料结构

目前锂离子电池常使用的正极材料主要是锂过渡金属氧化物，主要包括以下三种结构：

1.1 六方层状结构

这种结构最常用的材料包括三元材料和LiCoO2、LiNiO2、Ni、Co、Mn复合氧化物。其中钴酸锂主要应用于国内小型锂电池正极材料，具有稳定的电化学性能、高密度振实、易于合成等优点。

1.2 尖晶石结构

这种结构最常用的材料为LiMn2O4，可逆容量高，安全性能好、放点平稳且成本较低。但它在充放电时容易出现结构不稳定，容量衰减严重等现象。其作用与三元材料相差不大，主要应用于小型锂电池和部分电动自行车和电动工具中。

1.3 橄榄石结构

这种结构最常用的材料为LiFePO4等，其优点有很多，如结构稳定性高、安全性能好、原料来源广泛、是环境友好型正极材料，甚至标志着“锂离子电池一个新时代的到来”。主要应用于电动工具盒、电动汽车领域。

2 锂离子电池正极材料的应用

2.1 锂离子电池正极材料中三元材料的应用

三元材料的市场价值主要体现在小型锂电池市场和动力锂电池市场。在小型锂电池市场中，利用三元材料的高电化学容量、较好的循环性能和安全性能等优点，主要应用于各种便携式电子产品中。而在动力锂电池市场中，三元材料的市场价值主要体现在汽车行业中，突出优点是其具有较低的成本，较高的安全性能。但另一方面，当温度处于50℃以上时，会造成电池容量衰减速度高，循环性能变差，导致电池使用寿命变短。

2.2 锂离子电池正极材料中钴酸锂的应用

近年来，为了提高钴酸锂的比容量，可以通过表面修饰改性和掺杂提高其充电电压的方法。但是经大量实验研究表明，表面修饰改性的方法不能使其表面性质完全改变，并不能解决高电压下钴酸锂晶体结构不稳定的问题。而体相掺杂，提高充电电压就可以增加其结构的稳定性和可逆比容量。

2.3 锂离子电池正极材料对电解液的量的需求

不同种类的电池电芯对电解液量有不同的需求。合适的电解量对电池性能尤其是电池容量、电池循环性能和电池抗过充电性能的由着非常重要的影响。

经研究表明，随着电池电解液量的升高，电池容量也增加，进而趋缓至基本恒定，而电池的循环性能和抗过充电性能都对电解液量的要求十分严格，电解液过多或过少都会造成电池循环性能的降低，合适的电解液量也不会造成电池因过充电而造成的壳体破裂，短路甚至起火等状况。

2.4 锂离子电池正极材料的不同NP值对电池性能的影响

NP值为电池负极使用量，不同的NP值會严重影响电池容量和电池循环性能。经试验数据表明，电池负极使用量NP增加会致使电池正极材料的容量呈现出先上升再下降的状态，稳定性降低，进而降低电池整体的安全性能。所以在电池设计中要依据实验室设备参数和条件等参数来不断调整优化NP值，使电池性能达到最优状态。

3 锂离子电池正极材料的发展趋势

结合我国现阶段电池使用情况，可以看出锂离子电池正极材料行业蓬勃发展，并将长期处于快速增长阶段。

总体来说，钴酸锂具有振实密度高、容量高、循环性能好、电导率高等优势，是电池中首选的正极材料，具有一定的发展潜力。但是钴是稀有金属，价格高，而且有一定的毒性，污染环境，在一定程度上限制了其发展；锰酸锂在高温下容量衰减较快，这是目前急需解决的问题，另一方面，它成本低，无污染，还是具有很大的发展空间；磷酸铁锂价格低，较高的安全性和循环稳定性，但其较低的电导率和振实密度限制了发展，时目前电池正极材料研究的一个热点，也是动力电池中首选的正极材料；三元材料也具有较高的能量密度、安全性能和循环稳定性，而且成本较低，因此它在正极材料中的使用量比重增长迅速。

随着智能手机和笔记本电脑等电子产品的高速发展，对电池的需求量越来越高，而锂离子电池凭借其优异的性能，使其产业蓬勃发展，甚至已经牢牢占据了二次电池的高端市场，其正极材料也必将有较大发展。

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