简述锂电池的正负极材料及优缺点

1.正极材料

首先，我们来看看正极材料，正极材料的选择，重要基于以下几个因素考虑：

1)具有较高的氧化还原反应电位，使锂离子电池达到较高的输出电压；

2)锂元素含量高，材料堆积密度高，使得锂离子电池具有较高的能量密度；

3)化学反应过程中的结构稳定性要好，使得锂离子电池具有长循环寿命；

4)电导率要高，使得锂离子电池具有良好的充放电倍率性能；

5)化学稳定性和热稳定性要好，不易分解和发热，使得锂离子电池具有良好的安全性；

6)价格便宜，使得锂离子电池的成本足够低；

7)制造工艺相对简单，便于大规模生产；

8)对环境的污染低，易于回收利用。

当前，锂离子电池的能量密度、充放电倍率、安全性等一些关键指标，重要受制于正极材料。钴酸锂的商业化应用走的最早，第一代商业化应用的锂离子电池就是SONY在1990年推向市场的钴酸锂离子电池，随后在消费类产品中得到大规模应用。随着手机、笔记本、平板电脑的大规模普及，钴酸锂一度是锂离子电池正极材料中销售量占比最大的材料。但其固有的缺点是质量比容量(不等同于能量密度)低，理论极限是274mAh/g，出于正极结构稳定性考虑，实际只能达到理论值的50%，即137mAh/g。同时，由于地球上钴元素的储量比较低，也导致钴酸锂的成本偏高，难以在动力锂电池领域大规模普及，所以钴酸锂正极材料将被其他材料逐步取代。

由于稳定性，安全性，材料合成困难等方面的缺点，镍酸锂的商业应用较少，市场上很少看到，这里不做论述。

锰酸锂的商业化应用，重要在动力锂电池领域，是锂离子电池一个比较重要的分支。如日产的leaf纯电动轿车采用了日本AESC公司的锰酸锂离子电池，早期的雪弗兰Volt也采用韩国LG化学的锰酸锂离子电池。锰酸锂的突出优点是成本低，低温性能好，缺点是比容量低，极限在148mAh/g，且高温性能差，循环寿命低。所以锰酸锂的发展有明显的瓶颈，近年来的研究方向重要是改性锰酸锂，通过掺杂其他元素，改变其缺点。

磷酸铁锂材料在我国热过一阵子，一方面受美国科研机构和公司在技术方面的带动，另一方面受比亚迪在国内的产业化推动，前几年国内的锂离子电池公司在动力锂电池领域基本都以磷酸铁锂材料为主。但是随着全球各国对锂离子电池能量密度的要求越来越高，而磷酸铁锂的比容量理论极限是170mAh/g，而实际上只能达到120mAh/g左右，已经无法满足当前和未来的市场需求。此外，磷酸铁锂的倍率性能一般，低温特性差等缺点，也限制了磷酸铁锂的应用。最近比亚迪搞出了一个改性磷酸铁锂材料，把能量密度提升了不少，还未透露具体的技术细节，不了解掺杂了什么材料在里面。就产品应用领域而言，电力储能市场应该是磷酸铁锂离子电池的一个重要市场，相对而言，这个市场对能量密度不是特别敏感，而对长寿命，低成本，高安全性电池的迫切需求，正是磷酸铁锂材料的优势所在。

日韩公司在近几年大力推动三元材料的应用，镍钴锰三元材料逐渐成为市场的主流，国内公司也采取跟随策略，逐步转向三元材料。三元材料的比容量较高，目前市场上的产品已经可以达到170~180mAh/g，从而可以将电池单体的能量密度提高到接近200Wh/kg，满足电动汽车的长续航里程要求。此外，通过改变三元材料的配比(x，y的值)，还可以达到良好的倍率性能，从而满足PHEV和HEV车型对大倍率小容量锂离子电池的需求，这也正是三元材料大行其道的原因。从化学式可以看出，镍钴锰三元材料综合了钴酸锂(LiCoO2)和锰酸锂(LiMn2O4)的一些优点，同时因为掺杂了镍元素，可以提升能量密度和倍率性能。