鋰離子電池對正極材料的性能要求

（1）產(chǎn)業(yè)對鋰離子電池的性能要求

要理解正極材料的技術(shù)指標(biāo)，要首先從電池的技術(shù)指標(biāo)說起。鋰離子電池產(chǎn)業(yè)初期，重要服務(wù)于移動電子產(chǎn)品的發(fā)展，例如筆記本電腦、平板電腦、移動智能終端（手機(jī)）等。近年來，新能源產(chǎn)業(yè)和電動汽車產(chǎn)業(yè)迅速崛起，對鋰離子電池的需求急速上升，刺激鋰電產(chǎn)業(yè)加快了發(fā)展速度。因此，鋰離子電池需滿足諸多技術(shù)性能指標(biāo)，才能被產(chǎn)業(yè)認(rèn)可、得到進(jìn)一步的發(fā)展。這些技術(shù)指標(biāo)中，最基本的有比能量、循環(huán)穩(wěn)定性、比功率、成本、安全性可靠性、耐用性能、生產(chǎn)制造效率、可持續(xù)性等等，指標(biāo)之間相互關(guān)聯(lián)，不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)︿囯x子電池指標(biāo)的優(yōu)先考慮順序是不同的。與便攜式電子產(chǎn)品中的鋰離子電池相比，儲能與電動汽車產(chǎn)業(yè)中應(yīng)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(jié)構(gòu)及應(yīng)用的復(fù)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(tuán)隊(duì)基于20多年的研究和工程實(shí)踐相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為鋰離子電池的技術(shù)指標(biāo)中最重要的是比能量和循環(huán)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(biāo)。比能量越高，單位能量（Wh）的材料成本就下降；循環(huán)壽命越長，電池的實(shí)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(huán)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(huán)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(biāo)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(huán)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(fā)目標(biāo)就是高比能量、長循環(huán)壽命。

（2）滿足主流鋰離子電池產(chǎn)業(yè)需求的正極材料

當(dāng)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(chǎn)業(yè)應(yīng)用的角度，上述各材料因具有不同的物理化學(xué)特點(diǎn)，適合于不同應(yīng)用領(lǐng)域的鋰離子電池，因而材料產(chǎn)品的關(guān)鍵性能指標(biāo)也有所差異。

鈷酸鋰LiCoO2（LCO）材料是目前壓實(shí)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(diǎn)重要是鈷資源有限、成本高，限制了其在電動汽車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。該材料的結(jié)構(gòu)與反應(yīng)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(dāng)鋰脫出量超過55%時（即相關(guān)于金屬鋰的充電電位為4.25V、相關(guān)于石墨|LCO全電池的充電電壓為4.2V），材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(xué)穩(wěn)定性滿足電池應(yīng)用需求的LCO正極材料是當(dāng)前材料制備技術(shù)的重要發(fā)展方向。LCO結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、合成較為容易，其制備技術(shù)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(jié)技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，隨著人們關(guān)于產(chǎn)品堆積密度、比表改性等的極致追求，控制結(jié)晶制備鈷酸鋰前驅(qū)體的方法因具有材料形貌控制的優(yōu)勢而逐漸成為重要的產(chǎn)業(yè)制備技術(shù)[8-11]。