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什么是鋰電池正極材料？

鋰電池正極材料，是鋰離子電池構(gòu)成材料的一部分，它直接決定著鋰電池的能量密度、安全性、循環(huán)壽命等性能，占有較大比例（正負極材料的質(zhì)量比為3: 1~4：1）。

生產(chǎn)正極材料的主要原材料包括硫酸鎳、硫酸錳、硫酸鈷、金屬鎳、電池級碳酸鋰、電池級氫氧化鋰，主要輔料包括燒堿、氨水、硫酸等，該等原輔材料主要為大宗化學制品，市場供應較為充足。

正極材料的構(gòu)成

鋰電池正極材料的主要化合物為：碳酸鋰、氫氧化鋰、硫酸鈷、硫酸鎳、硫酸錳。

上游為鋰、鈷、鎳、錳等礦物資源，原材料成本占比高達90%。

鋰資源

鋰是一種質(zhì)軟的銀白色金屬，電極電勢低、電化學當量大，是最理想的電池金屬。

碳酸鋰、氫氧化鋰是制造鋰電池正極的主要原材料，主要提取自鋰礦、鹽湖鹵水。

全球鋰資源供應非常集中，南美合計占比58%，澳洲占比19%，我國占比為7%，且國內(nèi)79%鋰資源儲存在鹽湖之中。

鈷資源

鈷是一種銀白色鐵磁性金屬，沒有單獨的鈷礦床，往往伴生于鎳、銅、鐵、鋅等硫化物礦床之中。

鈷作為一種稀缺的戰(zhàn)略金屬，價格昂貴。
全球鈷資源儲量約830萬噸，其中剛果（金）全球儲量占比48.2%。

國內(nèi)80%的鈷用于加工硫酸鈷，作為動力電池三元材料前驅(qū)體，因此鈷價格的變動對電池成本影響較大。

鎳資源

全球鎳資源主要分布于赤道附近的國家，如澳大利亞、巴西等。

菲律賓、印尼由于具有成本優(yōu)勢、運輸方便，是國內(nèi)鎳資源主要供應國。

鎳、鈷、錳均為過渡金屬元素，所形成的固溶體可以任意比例混合：

鎳可以提升電池容量；錳可以保證電池安全性；鈷可以減少陽離子混排，有利于電池循環(huán)性能。

錳資源

電解二氧化錳是制備錳酸鋰電池的主要原材料，硫酸錳是生產(chǎn)三元鋰動力電池前驅(qū)體的主要原材料。

全球錳資源主要分布于南非、澳大利亞、巴西、印度、我國、加蓬。

主要的正極材料有哪幾種？

目前商用鋰電池主流正極材料有磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料（NCM）等。

鈷酸鋰

作為第一代商品化的鋰電池正極材料，憑借振實密度大、能量密度高、工作電壓高等優(yōu)勢，在小型充電電池中得到廣泛應用，尤其在中高端的3C電子產(chǎn)品領域保有主導地位。隨著下游對產(chǎn)品能量密度提升和對電池體積限制的需求不斷上漲，促使鈷酸鋰產(chǎn)品不斷朝著高壓方向發(fā)展，從而直接有效提升電池能量密度。

三元正極材料

三元材料具體又包括鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰兩個系列。相較于單一的元素，三種元素的綜合，在具備同樣的優(yōu)點之下，還具有更高的能量密度和更長的續(xù)航里程。

錳酸鋰

是除鈷酸鋰以外研究最早的鋰電池正極材料。錳廣泛存在在自然界中，全球錳礦資源非常豐富，我國是全球最大的電解錳生產(chǎn)基地，擁有極為突出的成本優(yōu)勢。同時錳酸鋰的安全性能好，但循環(huán)性能較差，尤其是高溫循環(huán)性能差，導致其應用范圍狹窄，目前主要應用于低端數(shù)碼產(chǎn)品和電動自行車等領域。

磷酸鐵鋰

最大的優(yōu)點就是成本低、安全性較好，同時，高溫性能較好、循環(huán)壽命較長，但能量密度較低、低溫性能較差，主要適用于新能源商用車、價格敏感的新能源乘用車和對安全要求非常高的儲能等領域。

鋰離子電池正極材料生產(chǎn)工藝

鋰離子電池正極材料的性能直接影響著鋰離子電池的性能，其成本也直接決定電池成本高低。正極材料的工業(yè)化生產(chǎn)工序較多，合成路線也相比較較復雜，對溫度、環(huán)境、雜質(zhì)含量的控制也比較嚴格。正極材料的工業(yè)化生產(chǎn)工序較多，合成路線也相比較較復雜，對溫度、環(huán)境、雜質(zhì)含量的控制也比較嚴格，正極材料重要有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等。

煅燒技術(shù)，采用微波干燥新技術(shù)干燥鋰離子電池正極材料，解決了常規(guī)鋰離子電池正極材料干燥技術(shù)用時長，使資金周轉(zhuǎn)較慢，并且干燥不均勻，以及干燥深度不夠的問題，具體特點有：

1、采用鋰離子電池正極材料微波干燥設備，快捷迅速，幾分鐘就能完成深度干燥，可使最終含水量達到千分之一以上；

2、干燥均勻，產(chǎn)品干燥品質(zhì)好；

3、鋰離子電池正極材料高效節(jié)能，安全環(huán)保；

4、其無熱慣性，加熱的即時性易于控制。微波燒結(jié)鋰離子電池正極材料具有升溫速度快、能源利用率高、加熱效率高和安全衛(wèi)生無污染等特點，并能提高產(chǎn)品的均勻性和成品率，改善被燒結(jié)材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能。

鋰離子電池正極材料一般制備方法

固相法

一般選用碳酸鋰等鋰鹽和鈷化合物或鎳化合物研磨混合后，進行燒結(jié)反應。此方法優(yōu)點是工藝流程簡單，原料易得，屬于鋰離子電池發(fā)展初期被廣泛研究開發(fā)生產(chǎn)的方法，國外技術(shù)較成熟；缺點是所制得正極材料電容量有限，原料混合均勻性差，制備材料的性能穩(wěn)定性不好，批次與批次之間質(zhì)量一致性差。

絡合物法

絡合物法用有機絡合物先制備含鋰離子和鈷或釩離子的絡合物前驅(qū)體，再燒結(jié)制備。該方法的優(yōu)點是分子規(guī)模混合，材料均勻性和性能穩(wěn)定性好，正極材料電容量比固相法高，國外已試驗用作鋰離子電池的工業(yè)化方法，技術(shù)并未成熟，國內(nèi)目前還鮮有報道。

溶膠凝膠法

利用上世紀70年代發(fā)展起來的制備超微粒子的方法，制備正極材料，該方法具備了絡合物法的優(yōu)點，而且制備出的電極材料電容量有較大的提高，屬于正在國內(nèi)外迅速發(fā)展的一種方法。缺點是成本較高，技術(shù)還屬于開發(fā)階段。

離子交換法

離子交換法制備的LiMnO2，獲得了可逆放電容量達270mAh/g高值，此方法成為研究的新熱點，它具有所制電極性能穩(wěn)定，電容量高的特點。但過程涉及溶液重結(jié)晶蒸發(fā)等費能費時步驟，距離實用化還有相當距離。

鋰電池正極材料的重要性

正極材料對于鋰電池性能影響較大

在負極相同的條件下，正極為磷酸鐵鋰的鋰電池能量密度較低；當正極為5系、6系的三元材料時，電池能量密度隨之升高；當正極為NCM811時，電池能量密度更高，甚至可以達到260Wh/kg。因此，選擇不同的正極材料，很可能會直接影響電池的容量和使用效率。

正極材料在鋰電池成本中占比最高

無論采用何種正極材料，在鋰電池中，正極材料的成本都是最高的。例如磷酸鐵鋰電池中，正極成本占比高達40%，負極、隔膜、電解液占比才分別為10%、8%、20%；NCM811電池中，正極成本占比甚至高達57%，負極、隔膜、電解液占比才分別為7%、4%、13%。這樣看來，正極材料的重要性就不言

行業(yè)市場發(fā)展趨勢

隨著下游對鋰電性能要求不斷提升，正極材料將迎來一輪新的技術(shù)迭代和升級，磷酸錳鐵鋰和高鎳三元為代表的兩條技術(shù)路徑最為明確，磷酸錳鐵鋰電池預計開始商業(yè)應用，高鎳三元在三元電池中的占比也將持續(xù)提升。

磷酸錳鐵鋰是磷酸鐵鋰升級方向

磷酸鐵鋰電池的能量密度已經(jīng)接近“天花板”。磷酸錳鐵鋰作為磷酸鐵鋰的升級版，磷酸錳鐵鋰是在磷酸鐵鋰的基礎上摻雜一定比例的錳而形成的新型磷酸鹽類鋰離子電池正極材料。通過錳元素的摻雜，一方面使得鐵和錳兩種元素的優(yōu)勢特點能夠有效結(jié)合，而另一方面錳和鐵的摻雜不會明顯影響原有的結(jié)構(gòu)。

三元正極高鎳化趨勢愈加明顯

Ni元素比例在60%及以上的稱為高鎳三元材料。高鎳化三元將持續(xù)成長為長續(xù)航車型的主流技術(shù)，隨著相關技術(shù)發(fā)展以及整車平臺功能整合，未來新能源汽車將持續(xù)向更高能量密度、更長續(xù)航里程發(fā)展，高鎳化三元鋰電池的發(fā)展趨勢愈加明顯。 

原標題：科普 | 什么是鋰電池正極材料？