锂电池常用正负极材料特性及应用领域

锂离子电池常用的正极材料有锰酸锂，钴酸锂，磷酸铁锂以及三元材料等，常用的负极材料包括碳材料及硅基材料等。

离子电池在使用的过程中，能够进行二次充电，属于一种二次可充电电池，主要工作原理为锂离子在正负极之间的反复移动，无论电池的形状如何，其主要组成部分都为电解液、正极片、负极片以及隔膜。目前，国际上锂离子电池的生产地主要集中在中国、日本和韩国，主要的锂离子应用市场为手机和电脑及汽车。

图/锂离子电池已经广泛应用于生活当中

随着锂离子电池的不断发展，应用领域也在逐渐的扩大，其在正极材料的使用方面已经由单一化向多元化的方向转变，其中包括：橄榄石型磷酸亚铁锂、层状钴酸锂、尖晶石型锰酸锂等等，实现多种材料的并存。

从技术发展方面能够看出，在日后的发展中还会产生更多新型的正极材料。对于动力电池的正极材料来说，其在成本费用、安全性能、循环能力以及能量密度等多个方面都具有较为严格的要求。

在应用材料领域中，由于钴酸锂的费用较高、安全性较低，因此在具体的使用中通常适用于普通消费类电池，难以符合动力电池的相关要求。而上述列举的其他材料均已在目前的动力电池中得到了充分的利用。

在锂离子电池材料中，负极材料属于重要的组成部分，能够对整体电池的性能产生较大影响。目前，负极材料主要被划分为两个类别，一种为商业化应用的碳材料，例如天然石墨、软碳等，另一类为正处于研发状态，但是市场前景一片大好的非碳负极材料，例如硅基材料、合金材料、锡金材料等等。

图/硅碳负极材料结构示意图

碳负极材料

此种类型的材料无论是能量密度、循环能力，还是成本投入等方面，其都处于表现均衡的负极材料，同时也是促进锂离子电池诞生的主要材料，碳材料可以被划分为两大类别，即石墨化碳材料以及硬碳。其中，前者主要包括人造石墨以及天然石墨。

图/人造石墨图

人造石墨的形成过程为：在2500℃以上的温度中，将软碳材料进行石墨化处理之后得到，MCMB属于人造石墨中比较常用的一种，其结构为球形，表面质地较为光滑，直径大约为5-40μm。由于受其表面光滑程度影响，使电极表面以及电解液之间发生反应的几率降低，进而降低了不可逆容量。同时，球形结构能够方便锂离子在任何方向进行嵌入和脱出活动，对保障结构稳定具有较大的促进作用。

天然石墨也具有诸多优势，其结晶度较高、可嵌入的位置较多，并且价格较低，是较为理想的锂离子电池材料。但其也存在一定的弊端，例如在与电解液反应时，相容性较差，在进行粉碎时表面存在诸多缺陷等，这都将对其充电或放电的性能产生较大的不利影响。

此外，硬碳的形成过程为：在2500℃的状态下，难以实施石墨化的碳材料，其主要为高分子化合物的热解碳，通过高倍显微镜能够看出，其是由许多纳米小球堆积而成，整体呈现出花团簇状。在其表面具有大量纳米孔的无定形区域，在容量方面远远超过石墨的标准容量，进而对循环能力产生较大的不利影响。

硅负极材料

由于硅物质的储存量较为丰富，且价格较为低廉，因此将其作为新型负极材料应用到锂离子电池中十分理想。但是，由于硅属于半导体，电导率较差，并且在嵌入的过程中将会使体积膨胀成以往的数倍，最高膨胀度能够达到370%，这将导致活性硅粉化和脱落，难以与电子进行充分的接触，进而使得容量迅速缩减。

图/纳米硅和二氧化硅复合负极材料

要想使硅在锂离子电池材料中得到良好的应用，使其在充电或者放电的过程中，能够对其体积进行有效的控制，进而使其容量和循环能力得到极大的保障，可以采用以下几种方式来实现，第一，使用纳米尺寸的硅。第二，将硅与非活性基体、活性基体、粘接剂相结合。第三，利用硅薄膜，其已经被视为是下一代最为适用的商用负极材料。

锂离子电池正极材料

1.钴酸锂

作为正极材料，被应用的时间最早，并且直至目前仍然属于消费电子产品中居于主流的正极材料。钴酸锂与其他正极材料相比较能够看出，其工作过程中电压较高，充电或者放电时电压运行较为平稳，能够符合大电流的要求，具有较强的循环性能，电导效率较高，材料以及电池等工艺较为稳定。

图/钴酸锂晶体结构

但是其也存在许多缺点，例如资源较为短缺，价格较贵，钴含有毒性，使用时具有一定的危险，并且会对环境产生不良影响。尤其是其安全性不能得到切实的保障，这将成为制约其广泛发展的重要因素。

在对其进行的研究中，以Al3+、Mg2+、Ni2+等金属阳离子掺杂最为广泛，随着科研的不断推进，目前采用Al3+与Mg2+等金属阳离子掺杂形式更是已开始投入使用。

在钴酸锂的制备方面，主要包括两种方法，即固相合成法以及液相合成法。在工业中普遍使用的是高温固相合成法，它主要利用锂盐，例如Li2CO3或LiOH等，与钴盐如CoCO3等，按照1:1的比例进行融合，并且在600℃至900℃高温的状态下进行煅烧而形成。目前市场中对钴酸锂材料的应用主要为二次电池市场当中，并且也成为小型高密度锂离子电池材料的最佳选择。

2.三元正极材料

具有较为显著的三元协同效应，其与钴酸锂相比较能够看出，在热稳定性方面存在较大的优势，并且生产成本较为低廉，能够成为钴酸锂最佳代替材料。但是其密度较低、循环性能方面也有待提高。对此，可以采用改进合成工艺以及离子掺杂等进行调整。

图/三元正极材料综合性能图示

三元材料主要应用于钢壳、铝壳等圆柱形锂离子电池当中，但在软包电池中由于受到膨胀因素影响，使其的应用受到较大限制。在未来的应用中，其发展方向主要有两个方面：第一，向着高锰方向，主要在蓝牙、手机等小型便携式设备方面发展。第二，向着高镍方向，主要在电动自行车、电动汽车等对能量密度需求较高的领域中进行应用。

3.磷酸亚铁锂

在充电和放电方面具有良好的循环性能以及热稳定性，在使用过程中具有较强的安全保障，并且该材料绿色环保，不会对环境造成严重的损害，同时价格也较为低廉，被我国电池工业认为是进行大型电池模块生产的最佳材料。目前的主要应用领域有：电动汽车、便携式移动充电电源等，在未来发展中将会朝着储能电源、便携式电源方向深入发展。

图/磷酸铁锂电池内部结构

4.锰酸锂

在应用中具有较强的安全性以及抗过充性，由于我国锰资源较为丰富，因此价格较为低廉，对环境的污染较小，无毒无害，工业制备操作较为简便。但是其在充电或者放电过程中，由于尖晶石结构不稳定，容易产生Jahn-Teller效应，再加上高温状态下锰的溶解，容易缩减电池容量，因此其应用也受到了较大的限制。

图/锰酸锂尖晶石结构

目前，锰酸锂的应用范围主要是小型电池，例如手机、数码产品等，在动力电池方面与磷酸铁锂能够互为替代，因此产生了强烈的竞争，其发展方向将会向着高能量、高密度、低成本的趋势发展。

结束语

锂离子电池产品呈现出蓬勃发展的态势，随着科学技术的发展，智能手机、电脑等产品得到广泛的应用，这将使得对锂离子电池的需求量变大，为其带来较大的发展机遇。同时，车载锂离子以及储能电源等也逐渐得到发展，为锂离子电池提供了新的增长点。由此可见，在未来的发展中，必会加强对此方面的研究力度，使锂离子电池的作用发挥到更大，这也将带动其电池材料不断得到更新换代。