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現的,正極活性物質是鋰離電池最為關鍵的核心材料。
在鋰離子電池正極材料的研究方面,美國學者“鋰電池之父”GOODENOUGH教授作出了巨大貢獻:1980年在英國牛津大學就職期間發現了鈷酸鋰(LiCoO2,簡稱LCO)可用作鋰電正極,次年他在LCO專利中提及鎳酸鋰(LiNiO2,也稱 LNO)作為正極材料的可型性;1983年,首次嘗試將錳酸鋰(LiMn2O4,簡稱LMO)作為正極材料用于鋰離子電池; 1997年,他又開發出橄欖石結構正極材料——磷酸鐵鋰(LiFePO4,簡稱LFP)。
此外,為了解決鎳酸鋰性能不穩定問題,加拿大的DAHN教授和日本小槻勉教授進行了大量的摻雜改性研究;1997年,日本戶田公司率先申請了最早的鎳鈷鋁酸鋰(LiNi1-x-yCoxAlyO2,簡稱NCA)專利;1999年,新加坡大學的劉昭林、余愛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)。
經過近三十年的快速發展,基于上述科學家的研究成果,鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷酸鋰(LiNi1-xCoxO2,也稱NC)、鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰、磷酸鐵鋰等正極材料陸續產業化,并被拓展用于眾多領域。
隨著新能源汽車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成為最重要、占比最大的正極材料。近20年來,國產的正極材料已走出國門,部分產品處于世界領先地位,涌現了當升科技、天津巴莫、湖南瑞翔、盟固利等先進電池材料公司。
正極是電池的核心部件,其優劣直接影響電池性能。般而言對正極活性物質有如下要求:
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,結構變化小(循環壽命長)
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、熱穩定性高,與電解液相容性好(安全性好)
6、資源豐富,環境友好,價格便宜(成本低、環保)
般而言,正極材料的關鍵性能指標有:化學成分、晶體結構、粒度分布、振實密度、比表面積、pH值、首次放電比容量、首次充放電效率、循環壽命等。