锂电池正极材料简介

一、锂电池的组成?

1.锂电池由四个主要部分组成：正极、负极、电解液和隔膜。

2.正极材料是决定锂电池能量密度、容量、稳定性、安全性等关键性能的核心部件。

3.正极材料的性能直接影响电池的循环寿命、充放电效率，以及在不同应用领域(如电动汽车、消费电子等)的表现。

数据来源：锂离子电池行业规范条件(2024年本)

首个商用锂离子电池示意图

电化学性能

容量

1.电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量，以符号C表示。常用的单位为安培小时，简称安时(Ah)或毫安时(mAh)。

2.电池的容量可以分为理论容量、额定容量、实际容量。

3.理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得的最高理论值。为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，单位为Ah/kg(mAh/g)或Ah/L(mAh/cm³)。

4.实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为Ah,其值小于理论容量。

5.额定容量也叫保证容量，是按国家或有关部门颁布的标准，保证电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。

二、正极材料有哪些分类?

1.尖晶石结构

代表材料：锰酸锂LiMn₂O₄

常见衍生材料：高压锰酸锂 LiMn₂O₄、镍锰酸锂 LiNi₀.₅Mn₁.₅O₄、富锂锰酸锂 Li₁₋ₓMn₂O₄

核心特点：

理论容量：约 148 mAh/g。

优点： 电压平台高，功率密度高。

缺点： 结构稳定性和循环稳定性较差。

2.层状结构

代表材料：钴酸锂、三元材料等

主要材料：

钴酸锂 LiCoO₂、镍酸锂 LiNiO₂、镍钴锰酸锂 LiNiₓCoᵧMnzO₂、镍钴铝酸锂 LiNiₓCoᵧAlzO₂、层状富锂锰基固溶体 Li₂MnO₃ + LiMO₂

核心特点：

理论容量：普遍较高，约在270mAh/g。富锂材料可达300mAh/g 以上。

优点： 理论容量高。

说明： 根据过渡金属元素 M 的不同，材料性质差异很大，可进一步分为一元和多元层状材料。

3.橄榄石结构

代表材料：磷酸铁锂

主要材料：磷酸铁锂 LiFePO₄、磷酸锰铁锂 LiMnₓFe₁₋ₓPO₄

核心特点：

理论容量： 约 170 mAh/g。

优点： 热稳定性高，安全性好。

缺点： 锂离子扩散是一维通道，本征电子电导率和离子电导率较差。

说明： 电压平台根据过渡金属 M 的不同而有差异，可通过掺杂 Mn 等元素来提高电压，从而提升能量密度。

三、常见问题及解决思路

1.比容量不达标

有时正极材料的比容量低于预期，无法达到电池设计要求的能量密度，这通常与材料的质量、加工工艺、配方等因素有关。

解决思路：

①.优化材料的配方：可以调整正极材料的合成工艺，例如调整三元材料中的镍、钴、锰比例或采用更高性能的材料。

②.表面改性：对材料进行表面涂层或改性，改善电极材料的结构稳定性。

2.均匀性差

电极材料的涂布均匀性差，可能导致电池内阻增大，能量转换效率低，甚至短路或热失控等问题。

解决思路：

①.优化涂布工艺：使用精确的涂布设备，以保证涂层厚度均匀。

②.调整浆料的粘度和配比：根据不同材料的特性，合理调整浆料的配方，改善其流动性和涂布性。

3.干燥不均匀

电极涂布后的干燥过程不均匀，导致材料内部结构的应力差异，影响电池性能。干燥速度过快可能导致涂层不均，影响电池性能；温度过高可能导致电池材料损坏

解决思路：

①.优化烘干工艺：控制烘干温度和时间，避免过快或过慢的干燥过程，确保涂布材料均匀干燥。

②.均匀热风分布：使用均匀热风系统，保证涂布材料干燥过程中受热均匀，避免材料分层或变形。

4.孔隙率和密度不合适

电极的孔隙率过高或密度不合适，导致电池的导电性差、内阻高，影响电池的性能。

解决思路：

①.优化浆料的配比和涂布方式：通过调整浆料的粘度和材料的配比，优化电极材料的孔隙率。

②.控制压实工艺：通过合理的压实工艺，确保电极材料的密度合适，避免孔隙率过高导致的导电性能下降。

四、总结反馈

1.什么是三元材料(NCM/NCA),它有哪些组成元素?

三元材料(NCM/NCA)是由镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)或镍(Ni)、钴(Co)、铝(AI)组成的锂电池正极材料。其特点是高能量密度，广泛应用于电动汽车、消费电子产品等对能量密度要求较高的领域。

2.磷酸铁锂(LFP)正极材料的优势是什么?

安全性高：相比其他正极材料，LFP具有更高的热稳定性和化学稳定性，能够有效避免过热、热失控等问题。

长循环寿命：LFP的循环寿命通常较长，可以承受更多的充放电循环。

成本较低：磷酸铁锂材料的原料丰富，且成本较低，有助于降低电池的总体成本。

环保性好：LFP材料无毒、无污染，较为环保。

3.镍钴锰酸锂(NCM)和磷酸铁锂(LFP)在电动汽车应用中的选择依据是什么?

能量密度需求：NCM具有较高的能量密度，适合需要较长续航的电动汽车，尤其是高端市场。而LFP的能量密度相对较低，适合短途或城市用车。

成本考虑：LFP的成本较低，且资源丰富，因此适合成本敏感型市场，特别是中低端电动汽车。NCM由于含有钴，成本较高。

安全性要求：LFP具有更高的安全性，能够在高温或过充时更稳定，因此适合需要高安全性的应用。而NCM则相对较为容易受到过充或高温的影响。

循环寿命：LFP材料的循环寿命较长，适合用于对电池寿命要求较高的车辆

4.在极片制备过程中，如果出现浆料涂布均匀性差可以有哪些解决办法?

调整浆料的配方，改善浆料粘度；优化涂布工艺；优化干燥工艺。控制水份和温度

5.为什么选择适当的干燥温度和速度非常重要?

干燥速度过快可能导致涂层不均，影响电池性能；温度过高可能导致电池材料损坏

本文源自微信公众号：一起学电池

原文标题：《锂电池正极材料简介》

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