锂离子电池正负极材料有什么区别

来源：存能电气  日期：2019-07-24 10:23  浏览量：次

　　锂离子电池正负极材料有什么区别？锂离子电池分布在我们生活的每一个角落，作为电能的载体和众多设备的动力来源，可以说，离开了锂离子电池，当今的物质世界就玩不转了。我们经常会看到磷酸铁锂，三元等专业的锂离子电池术语，这些都是根据锂离子电池正极材料来区分锂离子电池的类型。相对来讲，锂离子电池的正、负极材料对电池性能的影响比较大，是大家比较关心的方面。那么，锂离子电池正负极材料有什么区别？

　　锂离子电池的基本构成

　　锂离子电池内部需要包含几种基本材料：正极活性物质、负极活性物质、隔离膜、电解质。

　　锂离子电池正负极材料的区别

　　负极主要是用的石墨，是C的一种，正极使用的过度金属的氧化物，如钴酸锂或者是锰酸锂，磷酸铁锂等。

　　正极的电位高于负极，两者的电势差构成了电池的电压。

　　锂离子电池正极材料

　　正极材料是决定锂离子电池性能的关键材料之一，也是目前商业化锂离子电池中主要的锂离子来源，其性能和价袼对锂离子电池的影响较大。目前研制成功并得到应用的正极材料主要有钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料镍钴锰酸锂(NCM)和镍钴铝酸锂(NCA)等。

　　1、钴酸锂

　　钴酸锂由于具有生产工艺简单和电化学性能稳定等优势，所以最先实现商品化。同时由于钴酸锂具有工作电压高、充放电电压平稳，适合大电流充放电，比能量高、循环性能好等优点，在需要小型充电电池的领域中具有重要应用。钴酸锂正极材料的缺点是价格昂贵，实际比容量仅为其理论容量的274mAh/g的50%左右；钴酸锂的循环寿命已达到1000次，但仍有待于进一步提高；此外钴酸锂的抗过充电性能较差，在较高充电电压下比容量迅速降低。

　　2、三元材料

　　近几年来层状嵌锂多元过渡金属复合型正极材料发展迅速，尤其是含有钴镍锰三种元素的新型过渡金属嵌锂氧化物复合材料。

　　3、锰酸锂

　　与钴酸锂和镍酸锂相比，锰酸锂具有安全性好、耐过充性好、原料锰的资源丰富、价格低廉及无毒性等优点，是很有发展前途的一种正极材料。层状锰酸锂用作锂离子电池正极材料的缺点是虽然容量很高，但在高温下不稳定，而且在充放电过程中易向尖晶石结构转变，导致容量衰减过快。

　　4、磷酸铁锂

　　随着动力电池的发展，国内厂家大多倾向于采用磷酸铁锂材料。它是一类新型的锂离子电池用正极材料。该类材料具有高的能量密度、低廉的价格、优异的安全性等特点，特别适用于动力电池。它的出现是锂离子电池材料的一项重大突破，现已成为各国竞相研究的热点。目前磷酸铁锂被认为是最有发展前途的动力电池正极材料。由于磷酸铁锂生产技术门槛很高，大多数生产厂商在批量生产时产品的稳定性难以保证。它的缺点是电阻率较大，电极材料利用率低。因此研究工作主要集中在解决其导电率问题上。此外磷酸铁锂的专利问题也是其产业过程中的一个需要解决的问题。

　　锂离子电池负极材料

　　锂电池主要负极材料有锡基材料、锂基材料、钛酸锂、碳纳米材料、石墨烯材料等。锂电池负极材料的能量密度是影响锂电池能量密度的主要因素之一。

　　1、碳纳米管

　　碳纳米管是一种石墨化结构的碳材料，自身具有优良的导电性能，同时由于其脱嵌锂时深度小、行程短，作为负极材料在大倍率充放电时极化作用较小，可提高电池的大倍率充放电性能。

　　然而，碳纳米管直接作为锂电池负极材料时，会存在不可逆容量高、电压滞后及放电平台不明显等问题。如Ng等采用简单的过滤制备了单壁碳纳米管，将其直接作为负极材料，其首次放电容量为1700mAh/g，可逆容量仅为400mAh/g。

　　2、石墨烯

　　2004年英国Manchester大学研究者首次发现石墨烯材料，并获得诺贝尔奖。石墨烯是一种由碳六元环形成的新型碳材料，具有很多优异的性能，如大比表面、高导热系数、高电子导电性和良好的机械性能，被作为锂离子电池材料而备受关注。

　　3、钛酸锂

　　尖晶石型钛酸锂被作为一种备受关注的负极材料，因具有如下优点：

　　1)钛酸锂在脱嵌锂前后几乎“零应变”；

　　2)嵌锂电位较高(1.55V)，避免“锂枝晶”产生，安全性较高；

　　3)具有很平坦的电压平台；

　　4)化学扩散系数和库伦效率高。

　　4、硅基材料

　　硅作为锂离子电池理想的负极材料，具有如下优点：

　　1)硅可与锂形成Li4.4Si合金，理论储锂比容量高达4200mAh/g(超过石墨比容量的10倍)；

　　2)硅的嵌锂电位(0.5V)略高于石墨，在充电时难以形成“锂枝晶”；

　　3)硅与电解液反应活性低，不会发生有机溶剂的共嵌入现象。　　

　　5、锡合金

　　SnCoC是锡合金负极材料中商业化较成功的一类材料，其将Sn、Co、C三种元素在原子水平上均匀混合，并非晶化处理而得，该材料能有效抑制充放电过程中电极材料的体积变化，提高循环寿命。

　　6、锡氧化物

　　SnO2因具有较高的理论比容量(781mAh/g)而备受关注，然而，其在应用过程中也存在一些问题：首次不可逆容量大、嵌锂时会存在较大的体积效应(体积膨胀250%～300%)、循环过程中容易团聚等。实验表明，石墨作为载体，不仅能将SnO2颗粒分散得更均匀，而且能有效抑制颗粒团聚，提高材料的循环稳定性。

　　随着我国经济的快速发展，对电池新材料需求的不断增加，再加上手机、笔记本电脑、数码相机、摄像机、汽车等产品对新型、高效、环保电池材料的强劲需求，我国电池新材料市场将不断扩大。锂电池负极材料把握动力电池安全性命脉，在锂离子电池负极材料中，除石墨化中间相碳微球、无定形碳、硅或锡类占据小部分市场份额外，天然石墨和人造石墨占据着90%以上的负极材料市场份额。锂电池作为电池未来发展方向，其正负极材料市场发展前景十分好。