锂电池正极材料和负极材料知识

锂电池正极材料和负极材料知识一、正极材料：正极材料是\o"锂电池"\t"/2021-05/_blank"锂电池的核心材料，是决定电池性能的最关键因素。正极材料对电池产品最终的能量密度、电压、使用寿命以及安全性等有着直接影响，也是\o"锂电"\t"/2021-05/_blank"锂电池中成本最高的部分。锂电池往往用正极材料命名，如\o"三元锂电池"\t"/2021-05/_blank"三元锂电池，就是使用三元材料做正极的锂电池。不同正极材料差距明显，适用领域也不一样。常见的正极材料可以分为钴酸锂（LCO）、锰酸锂（LMO）、磷酸铁锂（LFP）和三元材料（NCM）。图：根据市场公开资料整理钴酸锂是最早实现商业化的正极材料，其能量密度高于镍氢及铅酸等充电电池，最早体现出锂电池的发展潜力，但十分昂贵且循环寿命低，钴酸锂电池仅适用于3C电子产品。锰酸锂虽成本低，但能量密度不佳，在早期的慢速电动车，如电瓶车等领域有一定用量，如今主要用于电动工具以及储能领域，少见于动力电池。当前主要应用于电动车领域的，是三元材料以及磷酸铁锂两条技术路线。在2020年锂电池正极材料出货占比中，分列第一和第二。三元材料的核心优势在于能量密度高。同体积、同质量下，续航时间较其它技术路线大幅领先。但其缺陷也非常明显：安全性差，受到冲击和处于高温环境时，起火点比较低。磷酸铁锂则恰好与三元材料相反，能量密度与续航均表现一般，但安全性却十分优秀。其晶体结构为独特的橄榄石型，空间骨架结构不易发生形变，使其在高温环境下仍能保持稳定。三元材料在约150℃~250℃的条件下即会开始分解并放出氧气，导致电解质燃烧，相较之下磷酸铁锂的分解温度则在600℃左右，安全优势非常明显。此外，磷酸铁锂电池的使用寿命也有巨大优势，其循环次数远超其它技术路线，这正应对电动汽车消费者的两个关键诉求：安全、耐用。二、负极材料：众所周知，锂电池的四大主材包括正极材料、负极材料、电解液、隔膜。那么，在锂电材料中，负极材料处于什么样的地位？一般而言，锂电池负极材料由活性物质、粘结剂和添加剂制成糊状胶合剂后，涂抹在铜箔两侧，经过干燥、滚压制得，作用是储存和释放能量，主要影响锂电池的循环性能等指标。负极材料按照所用活性物质，可分为碳材和非碳材两大类：碳系材料包括石墨材料（天然石墨、人造石墨以及中间相碳位球）与其它碳系（硬碳、软碳和石墨烯）两条路线；非碳系材料可细分为钛基材料、硅基材料、锡基材料、氮化物和金属锂等。图：负极材料分类与正极材料不同，锂电池负极虽路线同样众多，最终产品却很单一，人造石墨是绝对主流。数据显示，2020年中国人造石墨出货量约为30.7万吨，在负极材料出货总量中的占比高达84%，较2019年水平进一步提升5.5%。相较于其它材料，人造石墨循环性能好、安全性占优且工艺成熟、原材料易获取，成本较低，是非常理想的选择。石墨负极最核心的问题，则是石墨负极材料能量密度的理论上限为372mAh/g，而行业头部公司的产品已可实现365mAh/g的能量密度，逼近理论极限，未来的提升空间极为有限，急需寻找下一代替代品。新一代的负极材料中，硅基负极是热门候选者。其具有极高的能量密度，理论容量比可达4200mAh/g，远超石墨类材料。但作为负极材料，硅也有严重缺陷，锂离子嵌入会导致严重的体积膨胀，破坏电池结构，造成电池容量快速下降。目前通行的解决方案之一是使用硅碳复合材料，硅颗粒作为活性物质，提供储锂容量，碳颗粒则用来缓冲充放电过程中负极的体积变化，并改善材料的导电性，同时避免硅颗粒在充放电循环中发生团聚。基于此，硅碳负极材料被认为是前景最佳的技术路线，逐渐获得产业链内企业的关注。特斯拉的Model3已经使用了掺入10%硅基材料的人造石墨负极电池，其能量密度成功实现300wh/kg，大幅领先采用传统技术路线的电池。不过与石墨负极相比，硅碳负极除了加工