锂离子电池正极材料的发展趋势探析

锂离子电池正极材料的发展趋势探析

鲍荣荣

天津国安盟固利新材料科技股份有限公司 天津市 301802

摘要：随着我国社会的不断进步，科学技术的快速发展，锂离子电池已经广泛普及于社会的各行各业，并且走进了人们的家中，发挥着不可替代的作用。在近三十年的时间里，锂离子电池一直在发展，但是正极材料却变成了它发展的阻碍，现阶段对锂离子电池正极材料的选用中，主要是三元锂离子电池、磷酸铁锂电池以及锰酸锂电池等，这些锂离子电池的正极材料确实存在一些优势，但同时也存在许多问题和不足，基于此，本文分析了这三类锂离子电池正极材料的发展趋势，旨在为未来的锂离子电池发展提供支持。

关键词：锂离子电池；正极材料；发展趋势

1、三元锂电正极材料

我们所说的三元锂电池通常是由镍、钴、锰酸锂氧化物组成的，我们可以对这三种元素的比例进行调整，以此来调整电池的具体性能。研究表明，如果镍的含量越高，那么电池的能量密度就越大，这就充分显示了在三元锂离子电池中镍的作用是保持电池容量。从理论上讲，三元锂离子电池的容量一般大于280mAh/g，但是在实际运用中，它的容量还会随着镍、钴、锰的配比不同而产生差异。尤其是在近些年，三元锂电池得到了很快的发展，这是因为国家大力扶持新能源汽车企业，而新能源汽车对于电池能量密度的要求较高，还有一个原因是因为三元锂离子电池在能量密度这方面确实存在很大的优势。不仅如此，三元锂离子电池还有很多优点，比如体积容量大、耐低温性能好等。但是三元锂离子电池也有很多明显的缺点，其中最突出的缺点是它在充电时会释放氧离子，这就导致在周围温度较高的时候，三元锂离子电池很容易爆炸对人体产生伤害。因此，在使用三元锂离子电池的过程中，一定要保证其周围环境的安全性和稳定性，防止爆炸情况的发生。现阶段，三元锂离子电池是被产业界十分看好的一款电池，并且逐渐成为锂离子电池市场的主流。

2、磷酸铁锂系正极材料

磷酸铁锂电池是最早应用在锂离子电池中的一类，顾名思义就是用磷酸铁锂当做锂离子电池的正极材料。理论上来说，磷酸铁锂电池的容量是170mAh/g，但是该电池的实际容量在120—140mAh/g之间。磷酸铁锂电池具有很多有点，比如安全性高、制造成本低以及对环境的适应性好等，正因为其优势突出，所以广大锂电池科研工作者和各大电池厂商最喜欢研究的就是磷酸铁锂电池，并且不断有技术突破。磷酸铁锂电池的重量密度一直处在110—180WH/kg之间，但是在2020年2月，国轩高科宣布，在正极材料的制造过程中加入一种特殊的添加剂，就可以使碳源和颗粒匹配度得到大幅度优化，并且通过改善材料包覆、洁净度来提高材料的压实密度，最后对整个电池的化学体系进行合理优化，并采用对PACK工艺对电池包进行优化，这样就能使磷酸铁锂电池能量密度突破200Wh/kg，这是磷酸铁锂电池研究领域的一次飞跃。虽然磷酸铁锂电池的应用前景广泛，但是该电池的缺点也很明显，比如导电性差、振实密度低以及控制技术复杂等，这些问题都在很大程度上限制了磷酸铁锂电池的快速发展。在未来的磷酸铁锂电池发展过程中，主要还是以这三个方面的研究为主。第一，逐步提升能量密度。研究人员可以对电池进行包覆、纳米化或者对生产系统进行革新来逐步提升电池的能量密度。第二，解决上述的缺点。研究人员可以加大科研力度和投入，对于导电率和低温性能这两方面进行科研攻关，以此来提升材料性能。第三，发展复合电池。复合电池可以融合多种材料的有点，通过复合化的手段有效提升磷酸铁锂的导电率，使材料的性能进一步提升。

3、锰酸锂正极材料

锰酸锂电池在我国的市场中并不是主导地位，尤其是相较于磷酸铁锂电池和三元锂离子电池来说，占市场份额比较少。数据表明，磷酸铁锂和三元锂离子电池在2019年占据了市场百分之九十以上的份额，而锰酸锂电池和其他类型的电池仅仅占据了百分之十左右。大部分的锰酸锂电池都是在日本研究和生产的，而且日本的很多锂电池企业都把工作重点聚焦在了锰酸锂电池上面，因此在日本企业的不懈努力下，未来锰酸锂电池的正极、负极材料上很可能会有重大突破。从本质上讲，锰酸锂电池就是以锰酸锂为正极材料的电池，该类电池的优点是单位体积容量较大，安全性高而且成本低廉。正因为这些优点，锰酸锂电池经常被用于一些对于性能要求不高的领域，比如电动车等。虽然锰酸锂电池的优点很多，但是缺点也比较明显，比如高温性能较差等。由于锰酸锂电池价格低廉，如果在其的研究过程中不断改善缺点，很有可能在未来的锂电池市场上大展身手，因此，锰酸锂电池未来的发展前景十分广阔。

4、其他类型正极材料

除了以上三种锂离子电池外，市场上还存在一些钛酸锂电池、钴酸锂电池等锂离子电池，但是由于这些电池的适用范围比较小，因此对于这几类电池的研究和生产都比较少。在一些高科技领域，除了我们所熟知的纯锂离子电池以外，目前还有很多关于钠离子电池和钾离子电池的研究，而且现在已经有一些钠离子电池开始商业化生产了。如果我们把锂离子电池与钠离子、钾离子电池相比，我们不难发现，钠离子和钾离子电池的造价相对低一些，而且环境友好，但是这两种电池的缺点也很明显，就是能力密度远远不如锂离子电池，而且还有很多使用上遇到的的问题还没有解决，因此没有锂离子电池普及。现阶段，我国很多企业正在研究混合型锂离子电池，比如将锂离子和钠离子混合等，这些正极电池材料在未来的市场上一定会有更广阔的的前景，如果发展顺利，很可能代替现有的磷酸铁锂电池和三元锂离子电池。

5、结束语

随着我国科技的不断进步，越来越多的新型技术开始应用于电池正极材料的生产中，而随着5G时代的到来，我国电池产业也将迎来一次改革浪潮。目前，互联网技术已经走进千家万户，电动车、电子机器人、智能手表等新兴产品都需要锂离子电池来驱动，因此，锂离子电池在未来的应用前景十分广泛，在科研人员的不断研究下，其能量密度、安全性和环保性一定会大大提高。随着锂离子电池的广泛应用，各行各业都渐渐感受到其带来的便捷，尤其是“固态锂离子电池”，其具有明显的安全性和便携性，因此广受大众喜爱，发展优势巨大。在这种大背景下，我们可以看出，符合人们生活和生产需求的电池才拥有长远的发展前景，所以在锂离子电池的发展道路中，应该不断革新技术，寻找新型材料，发挥其独特的优势。

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