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锂电池三元正极材料介绍

所属分类 : [技术资讯] 发布时间 : 2020-03-12 阅读次数 : 553

锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解液等组成,正极材料是锂离子电池的重要组成部分,其优劣是电池电化学性能好坏的决定因素。本篇介绍锂电池三元正极材料相关知识。

锂离子电池正极材料一般为含锂的过渡金属氧化物或聚阴离子化合物。过渡金属往往具有多种价态,可以保持锂离子嵌入和脱出过程的电中性; 另外,嵌锂化合物具有相对于锂的较高的电极电势,可以保证电池有较高的开路电压。

相对于锂的电势,过渡金属氧化物大于过渡金属硫化物。目前商品化的锂离子电池中正极普遍采用插锂化合物,如LiMn2O4、LiFePO4、LiCoO2、三元材料Li(NixCoyMnz)O2。LiMn2O4是尖晶石结构,LiFePO4是橄榄石结构,后两者是六方层状结构。

三元材料是由LiNiO2改性而来,由于Ni、Co和Mn之间存在明显的协同效应,因此NCM的性能好于单一组分层状正极材料,被认为是有应用前景的新型正极材料之一。

常见的三元材料主要有

Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2,简称NCM111

Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2,简称NCM523

Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2,简称NCM622

Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2,简称NCM811

LiNi0.8Co0.15Al0.05O2,简称NCA

三元正极材料发展中的两个关键点是三元前驱体材料和高镍三元正极材料。

三元前驱体材料

三元前驱体制备工艺中的核心工艺参数包括盐碱浓度、氨水浓度、反应液加入反应釜速率、反应温度、pH值、搅拌速度、固含量等,每种参数均会对前驱体粒径、形貌、元素配比等造成影响,因此对工艺条件的控制精度是决定产品一致性的关键。

具体表现为:

前驱体杂质会带入正极材料,影响正极杂质含量;

前驱体粒径大小、粒径分布直接决定三元正极粒径大小、粒径分布;

三元前驱体比表面积、形貌直接决定三元正极比表面积、形貌;

三元前驱体元素配比直接决定三元正极元素配比等。

高镍三元正极材料

一般来说,高镍的三元正极材料是指材料中镍的摩尔分数大于0.6的三元材料,这样的材料具有高比容量和低成本的特点,但也存在容量保持率低,热稳定性差等缺陷。但通过制备工艺的改进可以有效改善材料性能。颗粒的微纳尺寸以及形貌结构,在很大程度上决定着高镍三元正极材料的性能。因此目前主要的制备方法是将不同原料均匀分散,通过不同生长机制,得到比表面积大的纳米球形颗粒。

三元正极材料的优缺点

NCM三元正极材料具有高容量、长寿命、低成本及原料来源丰富等优点,是一种极有应用前景的锂离子电池材料,无论是在小型锂电池市场以及动力电池市场都极具潜力。随着对电池能量密度需求的日渐上升,NCM三元材料向着高镍化和高电压方向发展,但高镍三元材料容易产生阳离子混排和充放电过程中相变等问题,高电压下也会加剧材料结构变化。这些都会给电池安全带来很大隐患。

三元正极材料的改进方向

为了解决上述问题,一般需要对高镍三元材料进行掺杂和包覆,改善材料的内部结构和表面结构稳定性。近年来对三元材料进行核壳结构设计或全梯度结构设计,包括单晶化设计思路等都是基于兼顾高能量密度和安全性方面的考虑。相信随着研发人员努力、资金投入及市场需求推动,NCM三元正极材料必将得到快速发展,不断解决电池使用中的问题,给人们生活带来更大的便利。

市场前景

据业内机构估计,到2020年我国正极材料需求量有望达到40.2万吨,其中三元正极材料需求量将达14.42万吨,高镍三元正极材料需求量9.75万吨。高镍三元正极材料将会是三元正极材料未来发展的重中之重。

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