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鋰離子電池對正極材料的性能要求是什么?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年03月19日  

鋰離子電池對正極材料的性能要求


(1)產業對鋰離子電池的性能要求


要理解正極材料的技術指標,要首先從電池的技術指標說起。鋰離子電池產業初期,重要服務于移動電子產品的發展,例如筆記本電腦、平板電腦、移動智能終端(手機)等。近年來,新能源產業和電動汽車產業迅速崛起,對鋰離子電池的需求急速上升,刺激鋰電產業加快了發展速度。因此,鋰離子電池需滿足諸多技術性能指標,才能被產業認可、得到進一步的發展。這些技術指標中,最基本的有比能量、循環穩定性、比功率、成本、安全性可靠性、耐用性能、生產制造效率、可持續性等等,指標之間相互關聯,不同的應用領域對鋰離子電池指標的優先考慮順序是不同的。與便攜式電子產品中的鋰離子電池相比,儲能與電動汽車產業中應用的鋰離子電池的最大不同是單體電池的容量上升為十倍甚至幾十倍,同時電池模組的功能、結構及應用的復雜程度顯著提高,這對鋰離子電池的一致性、可靠性提出了更高的要求。


本文團隊基于20多年的研究和工程實踐相關經驗,認為鋰離子電池的技術指標中最重要的是比能量和循環性能,其次是比功率、安全性、可靠性、成本和一致性等性能指標。比能量越高,單位能量(Wh)的材料成本就下降;循環壽命越長,電池的實際使用成本就低。目前移動智能終端用鋰離子電池要滿足比能量700Wh/L以上、循環性能200次以上的要求,而電動汽車用鋰離子電池要滿足比能量140Wh/kg(磷酸鐵鋰或者錳酸鋰正極材料)或200Wh/kg(層狀氧化物正極材料)以上、循環性能1500次以上的要求。鋰離子電池正極材料需滿足上述電池指標才可能被電池主流市場所接受。而目前鋰離子電池的比能量和循環性能重要取決于正極材料[1-6],因而鋰離子電池正極材料的重要研發目標就是高比能量、長循環壽命。


(2)滿足主流鋰離子電池產業需求的正極材料


當前,滿足鋰離子電池主流市場對電池性能要求的正極材料重要有層狀鈷酸鋰LiCoO2材料(LCO)、尖晶石錳酸鋰LiMn2O4材料(LMO)、橄欖石磷酸鐵鋰LiFePO4材料(LFP)、橄欖石磷酸錳鐵鋰LiMn0.8Fe0.2PO4材料(LMFP)、層狀三元材料LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料(NMC333)、層狀三元材料LiNi0.4Mn0.4Co0.2O2(NMC442)、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2(NMC532)、LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2(NMC622)、LiNi0.7Mn0.2Co0.1O2(NMC721)、LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(NMC811)和層狀高鎳材料LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)等。從產業應用的角度,上述各材料因具有不同的物理化學特點,適合于不同應用領域的鋰離子電池,因而材料產品的關鍵性能指標也有所差異。


鈷酸鋰LiCoO2(LCO)材料是目前壓實密度最高的正極材料,因此所制備的鋰離子電池體積比能量最高,成為平板電腦和移動智能終端用鋰離子電池的重要正極材料。其缺點重要是鈷資源有限、成本高,限制了其在電動汽車領域的廣泛應用。該材料的結構與反應特性是隨著充電電壓的逐漸升高,鋰脫出量逐漸新增,LCO的可利用容量逐漸提高,但當鋰脫出量超過55%時(即相關于金屬鋰的充電電位為4.25V、相關于石墨|LCO全電池的充電電壓為4.2V),材料的結構穩定性迅速下降,壽命及安全性迅速變差。因此耐受較高充電電壓、同時化學穩定性滿足電池應用需求的LCO正極材料是當前材料制備技術的重要發展方向。LCO結構穩定、合成較為容易,其制備技術簡單,也相對最為成熟。在2000年之前,LCO重要通過氧化鈷/碳酸鋰混合物的固相燒結技術進行生產,隨著人們關于產品堆積密度、比表改性等的極致追求,控制結晶制備鈷酸鋰前驅體的方法因具有材料形貌控制的優勢而逐漸成為重要的產業制備技術[8-11]。


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