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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(fù)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(jí)碳酸鋰、電池級(jí)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(xué)制品，市場(chǎng)供應(yīng)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(dá)90%。

鋰資源

鋰是一種質(zhì)軟的銀白色金屬，電極電勢(shì)低、電化學(xué)當(dāng)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(yīng)非常集中，南美合計(jì)占比58%，澳洲占比19%，我國(guó)占比為7%，且國(guó)內(nèi)79%鋰資源儲(chǔ)存在鹽湖之中。

鈷資源

鈷是一種銀白色鐵磁性金屬，沒(méi)有單獨(dú)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(jià)格昂貴。
全球鈷資源儲(chǔ)量約830萬(wàn)噸，其中剛果（金）全球儲(chǔ)量占比48.2%。

國(guó)內(nèi)80%的鈷用于加工硫酸鈷，作為動(dòng)力電池三元材料前驅(qū)體，因此鈷價(jià)格的變動(dòng)對(duì)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(guó)家，如澳大利亞、巴西等。

菲律賓、印尼由于具有成本優(yōu)勢(shì)、運(yùn)輸方便，是國(guó)內(nèi)鎳資源主要供應(yīng)國(guó)。

鎳、鈷、錳均為過(guò)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(yáng)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(dòng)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(guó)、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(shí)密度大、能量密度高、工作電壓高等優(yōu)勢(shì)，在小型充電電池中得到廣泛應(yīng)用，尤其在中高端的3C電子產(chǎn)品領(lǐng)域保有主導(dǎo)地位。隨著下游對(duì)產(chǎn)品能量密度提升和對(duì)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(gè)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(diǎn)之下，還具有更高的能量密度和更長(zhǎng)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(guó)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(shì)。同時(shí)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(dǎo)致其應(yīng)用范圍狹窄，目前主要應(yīng)用于低端數(shù)碼產(chǎn)品和電動(dòng)自行車等領(lǐng)域。

磷酸鐵鋰

最大的優(yōu)點(diǎn)就是成本低、安全性較好，同時(shí)，高溫性能較好、循環(huán)壽命較長(zhǎng)，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(jià)格敏感的新能源乘用車和對(duì)安全要求非常高的儲(chǔ)能等領(lǐng)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(fù)雜，對(duì)溫度、環(huán)境、雜質(zhì)含量的控制也比較嚴(yán)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(fù)雜，對(duì)溫度、環(huán)境、雜質(zhì)含量的控制也比較嚴(yán)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(shí)長(zhǎng)，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(wèn)題，具體特點(diǎn)有：

1、采用鋰離子電池正極材料微波干燥設(shè)備，快捷迅速，幾分鐘就能完成深度干燥，可使最終含水量達(dá)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(wú)熱慣性，加熱的即時(shí)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(wú)污染等特點(diǎn)，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(jìn)行燒結(jié)反應(yīng)。此方法優(yōu)點(diǎn)是工藝流程簡(jiǎn)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(guó)外技術(shù)較成熟；缺點(diǎn)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(luò)合物法

絡(luò)合物法用有機(jī)絡(luò)合物先制備含鋰離子和鈷或釩離子的絡(luò)合物前驅(qū)體，再燒結(jié)制備。該方法的優(yōu)點(diǎn)是分子規(guī)?；旌希牧暇鶆蛐院托阅芊€(wěn)定性好，正極材料電容量比固相法高，國(guó)外已試驗(yàn)用作鋰離子電池的工業(yè)化方法，技術(shù)并未成熟，國(guó)內(nèi)目前還鮮有報(bào)道。

溶膠凝膠法

利用上世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的制備超微粒子的方法，制備正極材料，該方法具備了絡(luò)合物法的優(yōu)點(diǎn)，而且制備出的電極材料電容量有較大的提高，屬于正在國(guó)內(nèi)外迅速發(fā)展的一種方法。缺點(diǎn)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(dá)270mAh/g高值，此方法成為研究的新熱點(diǎn)，它具有所制電極性能穩(wěn)定，電容量高的特點(diǎn)。但過(guò)程涉及溶液重結(jié)晶蒸發(fā)等費(fèi)能費(fèi)時(shí)步驟，距離實(shí)用化還有相當(dāng)距離。

鋰電池正極材料的重要性

正極材料對(duì)于鋰電池性能影響較大

在負(fù)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(dāng)正極為5系、6系的三元材料時(shí)，電池能量密度隨之升高；當(dāng)正極為NCM811時(shí)，電池能量密度更高，甚至可以達(dá)到260Wh/kg。因此，選擇不同的正極材料，很可能會(huì)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(wú)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(dá)40%，負(fù)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(dá)57%，負(fù)極、隔膜、電解液占比才分別為7%、4%、13%。這樣看來(lái)，正極材料的重要性就不言

行業(yè)市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)

隨著下游對(duì)鋰電性能要求不斷提升，正極材料將迎來(lái)一輪新的技術(shù)迭代和升級(jí)，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(yù)計(jì)開始商業(yè)應(yīng)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(jí)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(jí)版，磷酸錳鐵鋰是在磷酸鐵鋰的基礎(chǔ)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(guò)錳元素的摻雜，一方面使得鐵和錳兩種元素的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)能夠有效結(jié)合，而另一方面錳和鐵的摻雜不會(huì)明顯影響原有的結(jié)構(gòu)。

三元正極高鎳化趨勢(shì)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(zhǎng)為長(zhǎng)續(xù)航車型的主流技術(shù)，隨著相關(guān)技術(shù)發(fā)展以及整車平臺(tái)功能整合，未來(lái)新能源汽車將持續(xù)向更高能量密度、更長(zhǎng)續(xù)航里程發(fā)展，高鎳化三元鋰電池的發(fā)展趨勢(shì)愈加明顯。 

原標(biāo)題：科普 | 什么是鋰電池正極材料？