1.引言

鋰離子電池中正極材料所占成本約為40%，負(fù)極僅占5%左右，可見正極材料在鋰離子電池中的重要地位。正極材料主要分為三大類，分別是層狀結(jié)構(gòu)、尖晶石結(jié)構(gòu)和橄欖石結(jié)構(gòu)。尖晶石結(jié)構(gòu)和橄欖石結(jié)構(gòu)的代表性材料分別是LiMn2O4和LiFePO4,層狀結(jié)構(gòu)的代表材料則為LiMO2(M=Ni、Co、Mn)以及三元材料。

2.三元正極材料簡介

1999年來自新加坡國立大學(xué)的ZhaolinLiu[1]等人首次提出不同組分的三元層狀Li(Ni,Co,Mn)O2材料，通過Ni-Co-Mn的協(xié)同作用，結(jié)合了LiCoO2循環(huán)性能好，LiNiO2高比容量和LiMnO2成本低安全性能好的優(yōu)點(diǎn)。

從圖1中可以對三元正極材料的性能做個大致了解

圖1幾種正極材料性能對比圖

就電動汽車來說，要想跑得更遠(yuǎn)，就必須有更高的電池能量，相比于廣泛應(yīng)用于動力電池的LFP來說，三元材料有更高的能量，在提高續(xù)航能力方面很有前景。目前行業(yè)內(nèi)電動汽車價格居高難下，動力電池的造價很高是重要原因之一，它的價格幾乎占了整車的一半。三元正極材料具有更長的壽命，使動力電池可以使用的更久，從而提高電動汽車的性價比。然而，去年1月國家叫停了三元鋰離子電池在客車上的使用，主要是出于三元材料安全性能不穩(wěn)定的考慮。畢竟，在知識爆炸的今天，沒有什么能阻擋人們對新科技的探索，除了安全問題。

隨著Ni-Co-Mn三種元素比例的變化，大致將三元材料分為兩類，Ni:Mn等量型和富鎳型。前者的Co為+3價，Ni為+2價，Mn為+4價，Mn不變價起穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用，Ni在充電時失去2個電子，保持材料的高容量特性。為提高電池容量，增加Ni的含量，稱為富鎳型，這類材料中Co為+3價，Ni為+2/+3價，Mn為+4價。充電電壓低于4.4V（相對于Li+/Li）時,Ni+2/+3被氧化，形成Ni+4;繼續(xù)充電，在較高電壓下，Co3+參與反應(yīng)生成Co4+。在4.4V以下充放電時，Ni的含量越高，材料可逆比容量越大。用Al3+替代Mn4+形成的NCA也屬于高鎳三元材料，Al3+和Mn4+一樣價態(tài)不變起穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用，Co含量影響材料離子導(dǎo)電性，含量越高充放電倍率性越好。圖2[2]把不同組分三元材料的性能進(jìn)行了對比。

圖2不同組分三元材料放電比容量、熱穩(wěn)定性和容量保持率的關(guān)系

從圖中可以看出，隨著Ni含量增高，放點(diǎn)比容量由160mA˙h˙g-1增加到了200mA˙h˙g-1以上，同時熱穩(wěn)定性和容量保持率有所降低。