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科普 | 什么是鋰電池正極材料?
日期:2024-08-29   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:sy_sunmengqian 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
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(xué)制品,市場供應(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(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(dòng)力電池三元材料前驅(qū)體,因此鈷價(jià)格的變動(dòng)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(yùn)輸方便,是國內(nèi)鎳資源主要供應(yīng)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(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、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,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(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(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,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安全要求非常高的儲能等領(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,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(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(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)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(yàn)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(bào)道。

溶膠凝膠法

利用上世紀(jì)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(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,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(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(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。通過錳元素的摻雜,一方面使得鐵和錳兩種元素的優(yōu)勢特點(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(guān)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(biāo)題:科普 | 什么是鋰電池正極材料?
 
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來源:儲能頭條
 
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