鋰離子電池正極材料的要求及正極材料發(fā)展趨勢
來源:存能電氣 日期:2019-05-21 11:13 瀏覽量:次
鋰離子電池正極材料的要求及正極材料發(fā)展趨勢。鋰離子電池可以說是目前世界上應(yīng)用最成熟最廣泛的新能源,如手機(jī)電腦等便攜式電子產(chǎn)品,電動汽車,電動工具,儲能項目。特別是當(dāng)前中國政府和資本瘋狂投資支持新能源汽車和動力電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。放眼未來,鋰電池產(chǎn)業(yè)還有很長的一段路要走,比如高能量密度體系的開發(fā),成本的進(jìn)一步降低,資源的回收和利用等問題擺在我們面前。今天給大家介紹下關(guān)于鋰離子電池正極材料的要求及正極材料發(fā)展趨勢。
鋰離子電池正極材料的要求
鋰離子電池的主要部件有正極、負(fù)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(yīng)形式實現(xiàn)的,正極活性物質(zhì)是鋰離子電池最為關(guān)鍵的核心材料。
一般而言,正極材料的關(guān)鍵性能指標(biāo)有:化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、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(huán)壽命等。
在鋰離子電池正極材料的研究方面,美國學(xué)者“鋰電池之父”GOODENOUGH教授作出了巨大貢獻(xiàn):1980年在英國牛津大學(xué)就職期間發(fā)現(xiàn)了鈷酸鋰可用作鋰電正極,次年他在LCO專利中提及鎳酸鋰作為正極材料的可行性;1983年,首次嘗試將錳酸鋰作為正極材料用于鋰離子電池;1997年,他又開發(fā)出橄欖石結(jié)構(gòu)正極材料——磷酸鐵鋰。此外,為了解決鎳酸鋰性能不穩(wěn)定問題,加拿大的DAHN教授和日本小槻勉教授進(jìn)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專利;1999年,新加坡大學(xué)的劉昭林、余愛水等人在鎳鈷酸鋰基礎(chǔ)上引入Mn改性,最早報導(dǎo)了鎳鈷錳酸鋰。
經(jīng)過近三十年的快速發(fā)展,基于上述科學(xué)家的研究成果,鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰、磷酸鐵鋰等正極材料陸續(xù)產(chǎn)業(yè)化,并被拓展用于眾多領(lǐng)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(jīng)成為最重要、占比最大的正極材料。
正極是電池的核心部件,其優(yōu)劣直接影響電池性能。一般而言對正極活性物質(zhì)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(jié)構(gòu)變化小(循環(huán)壽命長);4、鋰離子擴(kuò)散系數(shù)和電子導(dǎo)電性高(低溫、倍率特性好);5、化學(xué)/熱穩(wěn)定性高,與電解液相容性好(安全性好);6、資源豐富,環(huán)境友好,價格便宜(成本低、環(huán)保)。
鋰離子電池體積能量密度很大程度上取決于活性物質(zhì)密度。正極材料的密度與其所含元素的原子量、晶體排布方式、結(jié)晶程度、球形度、顆粒大小及分布、致密度等密切相關(guān),受制備工藝影響。正極材料的密度分為松裝密度、振實密度、粉末壓實密度、極片壓實密度、理論密度等。
鋰離子電池正極材料發(fā)展趨勢
憑借過去的高速增長,中國成為全球正極材料的主要市場。2014年中國正極材料同比增長20.24%,占全球市場的43.77%,雖然相對于2013年,所占比重有所下降,但仍為全球正極材料的第一大供應(yīng)國。
2014年中國正極材料供應(yīng)量占比的下滑,主要是因為在消費(fèi)類電池方面,全球主要的鋰離子電池生產(chǎn)商三星SDI和LG化學(xué)一直通過采購中國企業(yè)的正極材料產(chǎn)品來降低成本,在經(jīng)歷的持續(xù)幾年不斷的壓價之后,中國企業(yè)已經(jīng)難以承受,在這種情況下,他們開始自己生產(chǎn)正極材料,以求進(jìn)一步降低電池制造成本,由此導(dǎo)致中國正極材料供應(yīng)量占比的下滑。
2015年中國正極材料產(chǎn)量為10.65萬噸,占全球產(chǎn)量的47.67%,中國正極材料占比大幅提升,主要源于國內(nèi)新能源汽車爆發(fā)式增長,帶來磷酸鐵鋰、鎳鈷錳酸鋰出貨量的快速增加。
國內(nèi)外正極材料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有所不同。在國外正極材料市場,國外主要正極材料企業(yè)以生產(chǎn)三元材料為主,2015年鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰等三元材料合計產(chǎn)量為5.83萬噸,占比49.87%,其次為鈷酸鋰,2015年產(chǎn)量為3.05萬噸,占比26.09%,而磷酸鐵鋰產(chǎn)量雖然是各正極材料中增長較快的,同比增長86.14%,但占比仍較小,為11.72%。
在中國正極材料市場,國內(nèi)主要正極材料企業(yè)以生產(chǎn)磷酸鐵鋰為主,2015年產(chǎn)量為3.58萬噸,占比33.62%,且其產(chǎn)量增速也是最快的,為165.19%;其次為鈷酸鋰,2015年產(chǎn)量為3.32萬噸,占比31.17%;三元材料中,以鎳鈷錳酸鋰為主,國內(nèi)在鎳鈷鋁酸鋰領(lǐng)域基本上處于空白的狀態(tài)。
隨著電池研究及產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,我國政府也相繼出臺了一系列政策,推動電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著清潔能源發(fā)電比例的大幅增加,安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保已成為電力發(fā)展關(guān)注的焦點(diǎn)。未來,新能源汽車的進(jìn)一步大規(guī)模普及還依賴于正極材料性能的提升。預(yù)見未來鋰離子電池將會成為電池技術(shù)發(fā)展的方向,也是越來越多電動能源廠家的追求方向。
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