锂离子电池的正负极材料及其特性介绍

  一、锂离子电池的正极材料  

正极材料是决定锂离子电池性能的关键材料，是目前商业化锂离子电池中锂离子的主要来源。正极材料的价格对锂离子电池的价格影响较大。

目前取得应用的正极材料包括：钴酸锂（LiCoO2）、磷酸铁锂（LiFePO4）、锰酸锂（LiMn2O4）、三元材料（三元材料主要包括：镍钴锰酸锂（LiNixCoyMn（1-x-y）O2（x<1,y<1），NCM） 和镍钴铝酸锂（LiNixCoyAl（1-x-y）O2（x<1,y<1），NCA））等。  

各种正极材料的优缺点对比如表一所示：

正极材料	应用车型	优点	缺点	定位
钴酸锂	特斯拉 Roadster	能量密度大	稳定性、安全性不足	多用于数码产品
三元材料	特斯拉 model S	能量密度高，电化学稳定性好	高湿易胀气，环保性差，安全性略优于钴酸锂	新一代动力电池
锰酸理	日产-聆风	价格低，安全环保、综合性能出色	能量密度一般，寿命低，高温循环性差	主流动力电池之一，中日韩欧美均采用，日韩技术领先
磷酸铁理	比亚迪E6	环保，价格低，稳定性好，寿命长	能量密度较低，导电性、低温性能差	中国研发投入大

表一，内容来源：学堂在线《新能源汽车》  

各种正极材料性能对比如表二所示：

正极材料	工作电压 /V	能量密度/W·h·kg-1	循环寿命/次	倍率特性	安全性
钴酸锂（LiCoO2）	3.7	550	500	良好	较差
锰酸锂（LiMn2O4）	3.7	490	800	良好	良好
磷酸铁锂（LiFePO4）	3.2	476	2000	较差	良好
三元材料（LiNixCoyMn（1-x-y）O2）	3.7	>590	500	一般	一般
三元材料（LiNi0.8Co0.15Al0.05O2）	3.7	750	500	一般	较差
LiNi0.5Mn1.5O4	4.7	650	800	良好	良好
（1-x）Li2MnO3·LiMO2	4.2	>900	200	较差	一般

表二，数据来源：学堂在线《新能源汽车》  

二、锂离子电池的负极材料  

锂离子电池的负极材料在电池制造成本中占比处于5~15%之间，是锂离子电池的重要组成部分之一。目前，锂电池负极材料以天然/人造石墨为主，其他类型负极材料包括：硬碳/软碳(HC/SC)、金属锂、合金类负极(硅基/锡基)、钛酸锂等。

 

图片来源：学堂在线《新能源汽车》  

三、锂离子电池特性  

（1）锂离子电池的放电特性 锂离子电池的放电特性如图一所示。锂离子电池的最大放电电流一般不超过3C（电池以3C的电流放电，电池可放电1/3小时）。放电电流过高可能使锂离子电池快速发热，损坏电池，减少电池的使用寿命。  

图一，图片来源：学堂在线《新能源汽车》  

（2）锂离子电池的充电特性

锂离子电池的充电特性如图二所示。锂离子电池对充电截止电压精度要求较高，一般误差不应超过额定值的1%。电池的充电倍率应参考电池生产厂商推荐，虽然某些电池充电倍率可达2C（电池以2C的电流充电，电池1/2小时可完成充电），但常用的充电倍率处于0.5~1C之间。

 

图二，图片来源：学堂在线《新能源汽车》  

（3）锂离子电池的温度特性

锂离子电池的温度特性如图三所示。锂离子电池的充电温度一般限制于0~60°C之间。温度过高可能使电池损坏甚至可能引起爆炸，温度过低可能使电池难以充满电。  



图三，图片来源：学堂在线《新能源汽车》    

四、锂离子电池的失效机理  

如图四所示，锂离子电池内部实际发生反应复杂，正常的充放电反应会受到其他副反应的影响，易造成锂离子电池的失效。  

锂离子电池的失效机理包括：正极材料的溶解、正极材料的相变化（材料的相变化可理解为材料微观结构的变化，锂离子的脱嵌可能引起正极材料的结构变化）、电解液的分解、过充电造成的容量损失、自放电、界面膜（参考锂离子电池相关介绍（24）——添加剂与SEI膜）的形成等。  



图四，图片来源：学堂在线《新能源汽车》  

审核编辑：刘清