鋰離子電池正極材料的發(fā)展趨勢(shì)是什么?

自從70年代人們發(fā)現(xiàn)了可以嵌入鋰離子的TIS2金屬化合物，特別是90年代SONY采用可以嵌鋰的鈷酸鋰做陰極材料，石墨做陽極材料的鋰離子電池以來，鋰離子電池的負(fù)極材料一直是石墨類材料，錫類化合物和硅類化合物負(fù)極材料仍然沒有獲得大的進(jìn)展；但是正極材料已經(jīng)從鈷酸鋰材料一枝度秀，到鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、磷鐵酸鋰材料齊頭并進(jìn)的發(fā)展趨勢(shì)。

鈷酸鋰材料作為第一代商品化的鋰離子電池正極材料，還有許多不可取代的優(yōu)勢(shì)：材料的加工性能很好，密度高，比容量相對(duì)較高，材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，循環(huán)性能好，材料的電壓平臺(tái)較高且比較穩(wěn)定，是目前最成熟，也是唯一商業(yè)化的正極材料，在短時(shí)間內(nèi)，特別是在通訊電池領(lǐng)域還有不可取代的優(yōu)勢(shì)。但是其存在的價(jià)格昂貴、容量幾乎發(fā)揮到了極限、資源緊缺、安全性差等缺陷使得其必然在最近的5到10年內(nèi)遭受被取代命運(yùn)。現(xiàn)在取代鈷酸鋰材料有兩個(gè)方向，一是在動(dòng)力電池領(lǐng)域，錳酸鋰和磷鐵酸鋰是最有希望的材料，二是在通訊電池領(lǐng)域，鎳鈷鋰和鎳鈷錳鋰三元材料是最有希望代替鈷酸鋰的正極材料。

錳酸鋰材料是除鈷酸鋰外研究最早的正極材料，通過多年的研究，材料的性能得到較大的改善。其較高的安全性，低廉的價(jià)格，使其在動(dòng)力電池領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景；但是其較低的比容量，較差的循環(huán)性能，特別是高溫循環(huán)性能使得其應(yīng)用受到了較大的限制，雖然通過最近幾年的研究，循環(huán)性能得到一定的改善，但是高溫循環(huán)性能還沒有得到較好的解決，推遲了其大規(guī)模商業(yè)化的步伐。

磷鐵酸鋰材料是最近兩年才快速發(fā)展起來的正極材料，其低廉的價(jià)格，較高的安全性能，較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，優(yōu)越的循環(huán)性能使得其作為動(dòng)力電池和備用電源領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，大有取代錳酸鋰之趨勢(shì)。但是其也存在一些難易解決的問題，特別振實(shí)密度低，體積比容量低，電導(dǎo)率低，低溫放電性能差，倍率放電差等問題需要繼續(xù)研究和改進(jìn)。

近年來世界范圍內(nèi)大量研究已經(jīng)使其取得的較大的發(fā)展和進(jìn)步，使其產(chǎn)業(yè)化的阻礙已經(jīng)得到較大的緩解，材料的電導(dǎo)率研究取得了較大的進(jìn)步，振實(shí)密度和體積比容量低對(duì)動(dòng)力電池來說，也許不是問題，現(xiàn)在問題的重點(diǎn)集中在低溫性能和倍率放電方面。如果在最近的一兩年內(nèi)，材料的低溫和倍率性能取得突破的話，磷鐵酸鋰的產(chǎn)業(yè)化指日可待。

從最近的測(cè)試看這個(gè)問題基本得到了很好的解決，現(xiàn)在唯一的問題是密度低。在小型通訊電池領(lǐng)域，最有可能代替鈷酸鋰的是鎳鈷酸鋰和鎳鈷錳酸三元材料，目前市場(chǎng)上還沒有大量出現(xiàn)此類材料，但是隨著電子領(lǐng)域的快速發(fā)展，其對(duì)電池容量的要求也越來越高，必然推動(dòng)高容量的鎳鈷類材料和鎳鈷錳三元材料的發(fā)展。

鎳鈷酸鋰材料是一種容量比較高的材料，其比容量比鈷酸鋰高出30%以上，而且和鈷酸鋰有相同的上下限電壓，比較容易規(guī)模化利用，價(jià)格相對(duì)便宜。當(dāng)然材料也存在一些缺點(diǎn)，材料的合成相對(duì)困難，材料的密度相對(duì)較低，材料的電壓平臺(tái)較低，充放電效率較低，和電解液相容性和安全性差等缺陷，還有待解決，但是隨著研究的深入，產(chǎn)業(yè)化會(huì)在最近兩年內(nèi)得到迅速發(fā)展。

鎳鈷錳三元材料是另一種高容量的正極材料，比容量可以達(dá)到180mAh/g以上，是非常有前途的正極材料。此材料不僅有比容量高的優(yōu)勢(shì)，而且安全性也相對(duì)較好，價(jià)格相對(duì)較低，與電解液的相容性好，循環(huán)性能優(yōu)異，是最有可能在小型通訊和小型動(dòng)力領(lǐng)域同時(shí)應(yīng)用的電池正極材料，甚至有在大型動(dòng)力領(lǐng)域應(yīng)用的可能。但是材料也有自身的缺點(diǎn)，第一就是合成困難、合成條件苛刻、合成材料的穩(wěn)定性差，第二是材料的電壓平臺(tái)相對(duì)較低，只有3.55v左右，第三是材料的密度和鈷酸鋰相比，相對(duì)較低，第四是材料的充電電壓較高，達(dá)到了4.5v左右，與鈷酸鋰有較大的差別。但是此材料的高容量和高安全性是其他材料無法比擬的，必將最近的幾年內(nèi)推向市場(chǎng)。因此，從目前的情況看，如果鈷酸鋰材料不尋求突破，其在未來的幾年內(nèi)，必被其他正極材料所代替。但是這是在鈷酸鋰材料的容量和安全性能沒有突破的前提下的結(jié)論，如果鈷酸鋰材料在容量和安全性上有所突破的話，其商業(yè)壽命可能會(huì)走的更遠(yuǎn)。現(xiàn)在鈷酸鋰在安全性和提高容量上正在尋找出路，也許通過包覆，會(huì)改善材料的表觀結(jié)構(gòu)，可以提高電池的安全性和容量，但是進(jìn)展很不明朗。

現(xiàn)在的趨勢(shì)可以做如下的判斷：在通訊電池領(lǐng)域，最近的3年內(nèi)，鈷酸鋰仍然是離子電池的主角，在以后5年內(nèi)，可能是鈷酸鋰和鎳鈷錳三元材料共存的時(shí)代，5年后，可能是鎳鈷錳三元材料的時(shí)代。

在動(dòng)力電池領(lǐng)域，由于鈷酸鋰的安全問題和高昂的價(jià)格，使其一直在動(dòng)力電池門外徘徊，始終沒有完全進(jìn)入動(dòng)力電池領(lǐng)域。現(xiàn)在的情況是鈷酸鋰和錳酸鋰小批量配合使用，但是由于其固有的缺陷，使得其始終沒有大批量的進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)作，產(chǎn)品只是在小批量試生產(chǎn)階段，目前大規(guī)模的商業(yè)化運(yùn)作還有一些難以克服的困難。在動(dòng)力電池領(lǐng)域磷酸基正極材料依其超長(zhǎng)的循環(huán)壽命，極好的安全性能，較好的高溫性能，極其低廉的價(jià)格，而且低溫性能和倍率放電已經(jīng)可以達(dá)到鈷酸鋰的水平等，使其成為最有希望的動(dòng)力電池材料，其在未來的5年內(nèi)可能會(huì)成鎳鎘電池的主要替代品，在未來的10年內(nèi)會(huì)成為鉛酸電池的有力競(jìng)爭(zhēng)者，在未來的20年內(nèi)可能會(huì)取代鉛酸電池，成為主要的啟動(dòng)電源、UpS電源

和后備電源，成為二次電池的老大。