锂离子电池对正极材料的性能要求是什么？

锂离子电池对正极材料的性能要求

（1）产业对锂离子电池的性能要求

要理解正极材料的技术指标，要首先从电池的技术指标说起。锂离子电池产业初期，重要服务于移动电子产品的发展，例如笔记本电脑、平板电脑、移动智能终端（手机）等。近年来，新能源产业和电动汽车产业迅速崛起，对锂离子电池的需求急速上升，刺激锂电产业加快了发展速度。因此，锂离子电池需满足诸多技术性能指标，才能被产业认可、得到进一步的发展。这些技术指标中，最基本的有比能量、循环稳定性、比功率、成本、安全性可靠性、耐用性能、生产制造效率、可持续性等等，指标之间相互关联，不同的应用领域对锂离子电池指标的优先考虑顺序是不同的。与便携式电子产品中的锂离子电池相比，储能与电动汽车产业中应用的锂离子电池的最大不同是单体电池的容量上升为十倍甚至几十倍，同时电池模组的功能、结构及应用的复杂程度显著提高，这对锂离子电池的一致性、可靠性提出了更高的要求。

本文团队基于20多年的研究和工程实践相关经验，认为锂离子电池的技术指标中最重要的是比能量和循环性能，其次是比功率、安全性、可靠性、成本和一致性等性能指标。比能量越高，单位能量（Wh）的材料成本就下降；循环寿命越长，电池的实际使用成本就低。目前移动智能终端用锂离子电池要满足比能量700Wh/L以上、循环性能200次以上的要求，而电动汽车用锂离子电池要满足比能量140Wh/kg（磷酸铁锂或者锰酸锂正极材料）或200Wh/kg（层状氧化物正极材料）以上、循环性能1500次以上的要求。锂离子电池正极材料需满足上述电池指标才可能被电池主流市场所接受。而目前锂离子电池的比能量和循环性能重要取决于正极材料[1-6]，因而锂离子电池正极材料的重要研发目标就是高比能量、长循环寿命。

（2）满足主流锂离子电池产业需求的正极材料

当前，满足锂离子电池主流市场对电池性能要求的正极材料重要有层状钴酸锂LiCoO2材料（LCO）、尖晶石锰酸锂LiMn2O4材料（LMO）、橄榄石磷酸铁锂LiFePO4材料（LFP）、橄榄石磷酸锰铁锂LiMn0.8Fe0.2PO4材料（LMFP）、层状三元材料LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2材料（NMC333）、层状三元材料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）和层状高镍材料LiNi0.8Co0.15Al0.05O2（NCA）等。从产业应用的角度，上述各材料因具有不同的物理化学特点，适合于不同应用领域的锂离子电池，因而材料产品的关键性能指标也有所差异。

钴酸锂LiCoO2（LCO）材料是目前压实密度最高的正极材料，因此所制备的锂离子电池体积比能量最高，成为平板电脑和移动智能终端用锂离子电池的重要正极材料。其缺点重要是钴资源有限、成本高，限制了其在电动汽车领域的广泛应用。该材料的结构与反应特性是随着充电电压的逐渐升高，锂脱出量逐渐新增，LCO的可利用容量逐渐提高，但当锂脱出量超过55%时（即相关于金属锂的充电电位为4.25V、相关于石墨|LCO全电池的充电电压为4.2V），材料的结构稳定性迅速下降，寿命及安全性迅速变差。因此耐受较高充电电压、同时化学稳定性满足电池应用需求的LCO正极材料是当前材料制备技术的重要发展方向。LCO结构稳定、合成较为容易，其制备技术简单，也相对最为成熟。在2000年之前，LCO重要通过氧化钴/碳酸锂混合物的固相烧结技术进行生产，随着人们关于产品堆积密度、比表改性等的极致追求，控制结晶制备钴酸锂前驱体的方法因具有材料形貌控制的优势而逐渐成为重要的产业制备技术[8-11]。