探析锂离子电池正极材料的要求及正极材料的发展

锂离子电池可以说是目前世界上应用最成熟最广泛的新能源，如手机电脑等便携式电子产品，电动汽车，电动工具，储能项目。特别是当前中国政府和资本疯狂投资支持新能源汽车和动力电池产业的发展。放眼未来，锂电池产业还有很长的一段路要走，比如高能量密度体系的开发，成本的进一步降低，资源的回收和利用等问题摆在我们面前。今天给大家介绍下关于锂离子电池正极材料的要求及正极材料发展趋势。

锂离子电池正极材料的要求

锂离子电池的主要部件有正极、负极、电解液、隔膜等，锂离子能量的存储和释放是以电极材料的氧化还原反应形式实现的，正极活性物质是锂离子电池最为关键的核心材料。

一般而言，正极材料的关键性能指标有：化学成分、晶体结构、粒度分布、振实密度、比表面积、pH值、首次放电比容量、首次充放电效率、循环寿命等。

在锂离子电池正极材料的研究方面，美国学者“锂电池之父”GOODENOUGH教授作出了巨大贡献：1980年在英国牛津大学就职期间发现了钴酸锂可用作锂电正极，次年他在LCO专利中提及镍酸锂作为正极材料的可行性；1983年，首次尝试将锰酸锂作为正极材料用于锂离子电池；1997年，他又开发出橄榄石结构正极材料——磷酸铁锂。此外，为了解决镍酸锂性能不稳定问题，加拿大的DAHN教授和日本小槻勉教授进行了大量的掺杂改性研究；1997年，日本户田公司率先申请了最早的镍钴铝酸锂专利；1999年，新加坡大学的刘昭林、余爱水等人在镍钴酸锂基础上引入Mn改性，最早报导了镍钴锰酸锂。

经过近三十年的快速发展，基于上述科学家的研究成果，钴酸锂、锰酸锂、镍钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、磷酸铁锂等正极材料陆续产业化，并被拓展用于众多领域。随着新能源汽车对高能量密度正极材料的需求，目前镍钴锰酸锂三元材料已经成为最重要、占比最大的正极材料。

正极是电池的核心部件，其优劣直接影响电池性能。一般而言对正极活性物质有如下要求：1、允许大量Li+嵌入脱出(比容量大)；2、具有较高的氧化还原电位(电压高)；3、嵌入脱出可逆性好，结构变化小(循环寿命长)；4、锂离子扩散系数和电子导电性高(低温、倍率特性好)；5、化学/热稳定性高，与电解液相容性好(安全性好)；6、资源丰富，环境友好，价格便宜(成本低、环保)。

锂离子电池体积能量密度很大程度上取决于活性物质密度。正极材料的密度与其所含元素的原子量、晶体排布方式、结晶程度、球形度、颗粒大小及分布、致密度等密切相关，受制备工艺影响。正极材料的密度分为松装密度、振实密度、粉末压实密度、极片压实密度、理论密度等。

锂离子电池正极材料发展趋势

凭借过去的高速增长，中国成为全球正极材料的主要市场。2014年中国正极材料同比增长20.24%，占全球市场的43.77%，虽然相对于2013年，所占比重有所下降，但仍为全球正极材料的第一大供应国。

2014年中国正极材料供应量占比的下滑，主要是因为在消费类电池方面，全球主要的锂离子电池生产商三星SDI和LG化学一直通过采购中国企业的正极材料产品来降低成本，在经历的持续几年不断的压价之后，中国企业已经难以承受，在这种情况下，他们开始自己生产正极材料，以求进一步降低电池制造成本，由此导致中国正极材料供应量占比的下滑。

2015年中国正极材料产量为10.65万吨，占全球产量的47.67%，中国正极材料占比大幅提升，主要源于国内新能源汽车爆发式增长，带来磷酸铁锂、镍钴锰酸锂出货量的快速增加。

国内外正极材料产品结构有所不同。在国外正极材料市场，国外主要正极材料企业以生产三元材料为主，2015年镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂等三元材料合计产量为5.83万吨，占比49.87%，其次为钴酸锂，2015年产量为3.05万吨，占比26.09%，而磷酸铁锂产量虽然是各正极材料中增长较快的，同比增长86.14%，但占比仍较小，为11.72%。

在中国正极材料市场，国内主要正极材料企业以生产磷酸铁锂为主，2015年产量为3.58万吨，占比33.62%，且其产量增速也是最快的，为165.19%；其次为钴酸锂，2015年产量为3.32万吨，占比31.17%；三元材料中，以镍钴锰酸锂为主，国内在镍钴铝酸锂领域基本上处于空白的状态。

随着电池研究及产业的不断发展，我国政府也相继出台了一系列政策，推动电池产业的发展。随着清洁能源发电比例的大幅增加，安全、经济和环保已成为电力发展关注的焦点。未来，新能源汽车的进一步大规模普及还依赖于正极材料性能的提升。预见未来锂离子电池将会成为电池技术发展的方向，也是越来越多电动能源厂家的追求方向。