鋰離子電池的主要部件有正極、負極、電解液、隔膜等,鋰離子能量的存儲和釋放是以電極材料的氧化還原反應形式實(shí)現的,正極活性物質(zhì)是鋰離電池最為關(guān)鍵的核心材料。
在鋰離子電池正極材料的研究方面,美國學(xué)者“鋰電池之父”GOODENOUGH教授作出了巨大貢獻:1980年在英國牛津大學(xué)就職期間發(fā)現了鈷酸鋰(LiCoO2,簡(jiǎn)稱(chēng)LCO)可用作鋰電正極,次年他在LCO專(zhuān)利中提及鎳酸鋰(LiNiO2,也稱(chēng) LNO)作為正極材料的可型性;1983年,首次嘗試將錳酸鋰(LiMn2O4,簡(jiǎn)稱(chēng)LMO)作為正極材料用于鋰離子電池; 1997年,他又開(kāi)發(fā)出橄欖石結構正極材料——磷酸鐵鋰(LiFePO4,簡(jiǎn)稱(chēng)LFP)。
此外,為了解決鎳酸鋰性能不穩定問(wèn)題,加拿大的DAHN教授和日本小槻勉教授進(jìn)行了大量的摻雜改性研究;1997年,日本戶(hù)田公司率先申請了最早的鎳鈷鋁酸鋰(LiNi1-x-yCoxAlyO2,簡(jiǎn)稱(chēng)NCA)專(zhuān)利;1999年,新加坡大學(xué)的劉昭林、余愛(ài)水等人在鎳鈷酸鋰基礎上引入Mn改性,最早報導了鎳鈷錳酸鋰(LiNi1-x-yCoxMnyO2,即三元材料、NCM)。
經(jīng)過(guò)近三十年的快速發(fā)展,基于上述科學(xué)家的研究成果,鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷酸鋰(LiNi1-xCoxO2,也稱(chēng)NC)、鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰、磷酸鐵鋰等正極材料陸續產(chǎn)業(yè)化,并被拓展用于眾多領(lǐng)域。
隨著(zhù)新能源汽車(chē)對高能量密度正極材 料的需求,目前鎳鈷錳酸鋰三元材料已經(jīng)成為最重要、占比最大的正極材料。近20年來(lái),國產(chǎn)的正極材料已走出國門(mén),部分產(chǎn)品處于世界領(lǐng)先地位,涌現了當升科技、天津巴莫、湖南瑞翔、盟固利等先進(jìn)電池材料公司。
正極是電池的核心部件,其優(yōu)劣直接影響電池性能。般而言對正極活性物質(zhì)有如下要求:
1、允許大量 Li+嵌入脫出(比容量大)
2、具有較高的氧化還原電位(電壓高)
3、嵌入脫出可逆性好,結構變化?。ㄑh(huán)壽命長(cháng))
4、鋰離子擴散系數和電子導電性高(低溫、倍率特性好)
5、化學(xué)、熱穩定性高,與電解液相容性好(安全性好)
6、資源豐富,環(huán)境友好,價(jià)格便宜(成本低、環(huán)保)
般而言,正極材料的關(guān)鍵性能指標有:化學(xué)成分、晶體結構、粒度分布、振實(shí)密度、比表面積、pH值、首次放電比容量、首次充放電效率、循環(huán)壽命等。