使能量密度提高80%的日本新型锂电正极材料MF-18

2月27日开幕的日本智能能源周上，日本水素株式会社技术总监夏晓明向记者展示了锂电池新型正极材料“MF-18”。这种新型化合物是利用混合前体同沉积方法合成的纳米级材料。目前车用锂电池最好的三元电极材料是NCM（镍钴锰）和NCA（镍钴铝）。而新型正极材料“MF-18”具有安全、高能量密度、低温性能好的优点，可使目前锂电池的能量密度提高80%，在零下50摄氏度环境下充放电仍能达到75%水平。性能超过以往所有正极材料。

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。

钴酸锂(LCO)：适合小型电池，实际容量不高

钴酸锂是第一代商业化正极材料，在几十年的发展中逐渐改性和提高，可以认为是最成熟的锂离子电池正极材料。钴酸锂具有放电平台高、比容量较高、循环性能好、合成工艺简单等优点。但该材料含钴较多，成本较高。

钴酸锂仍是小型锂电池的最佳选择。目前在3C电子电池中，大多数仍使用钴酸锂而并非比容量更高的三元材料，原因是钴酸锂材料的压实密度大于三元材料，即单位体积内能容纳的钴酸锂量更多。在更为重视体积密度的小型电池中，钴酸锂占有着一席之地。

钴酸锂理论容量高，但实际容量却只有理论的一半。原因是在充电过程中锂离子要从钴酸锂材料中脱出，但脱出量小于50%时，材料的形态和晶型可以保持稳定。随着锂离子脱出量增大至50%时，钴酸锂材料将发生相变，如果此时继续充电，钴将溶解在电解液中并产生氧气，严重影响电池循环稳定性和安全性能，因此一般的钴酸锂充电截止电压为4.2V。

磷酸铁锂(LFP):能量密度低，安全性突出

磷酸铁锂是目前广受关注的正极材料之一，理论比容量为170mAh/g,实际比容量可达150mAh/g以上。其主要特点是成本低廉，安全性非常好，循环寿命高，这些特点使得磷酸铁锂材料迅速成为研究热点，磷酸铁锂电池也在电动汽车领域有了广泛的应用。

磷酸铁锂的缺点也较为明显，即能量密度低。原因有两点：

一是磷酸铁锂材料的电压仅有3.3V左右，低于其他正极材料，这使得磷酸铁锂电池储存能量较低;二是磷酸铁锂导电性较差，需要纳米化并进行包覆才能获得良好的电化学性能，这使得材料变得蓬松，压实密度较低。两者综合作用，使得磷酸铁锂电池的能量密度低于钴酸锂和三元电池。因此磷酸铁锂电池主要应用于电动大巴车及少量乘用车中。

磷酸铁是否近期将被淘汰?近期新能源汽车安全事故频发，被认为将很快被三元材料取代的磷酸铁锂再次进入人们的视野，人们希望通过对磷酸铁锂进行改性提高其容量。目前已有学者通过在磷酸铁锂中掺入Mn元素使其拥有更高的电压和更高的能量密度，也有相关研究通过复合技术将磷酸铁锂与NCM三元材料进行混合，在保持三元素电池较高能量密度的同时可以有效提升其安全性能。

三元材料(NCM、NCA)：性能可调控

三元材料是与钴酸锂结构极为相似的锂镍钴锰氧化物(LiNixCoyMn1-x-y02)的俗称，这种材料在比能量、循环性、安全性和成本方面可以进行均衡和调控。镍钴锰三种元素的不同配置将为材料带来不同的性能：镍含量增加将增加材料的容量，但会使循环性能变差;钴的存在可使材料结构更加稳定，但含量过高会使容量降低;锰的存在可以降低成本并改善安全性能，但含量过高则会破坏材料的层状结构，因此找到三种材料的比例关系以达到综合性能最优化，是三元材料研发的重点。常见配比有NCM111、523、622、811等。NCA(LiNio.8C0015Ah0502)则是将其中的锰元素用铝元素来替代，一定程度上改善材料的结构稳定性，但其铝含量较少，可近似看成是一种二元材料。