【干货】锂电池的正极材料是什么？史上最易懂的解释！

正极材料是决定锂离子电池性能的关键材料之一，也是目前商用锂离子电池中锂离子的主要来源。它的性能和价格对锂离子电池有很大的影响。目前，钴酸锂、磷酸亚铁锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂(NCM)和镍钴铝酸锂(NCA)等三元材料已成功开发应用。

锂钴氧化物(LCO):适用于小型电池，但实际容量不高。

钴酸锂是第一代商用正极材料，经过几十年的发展，已经逐渐改性和完善，可以认为是锂离子电池最成熟的正极材料。钴酸锂具有放电平台高、比容量高、循环性能好、合成工艺简单等优点。但是这种材料含钴较多，成本较高。

钴酸锂仍然是小型锂电池的最佳选择。目前，3C大部分电子电池仍采用钴酸锂替代比容量更高的三元材料，因为钴酸锂材料的压实密度高于三元材料，即单位体积可容纳的钴酸锂量更多。钴酸锂在更注重体积密度的小型电池中起着重要作用。

钴酸锂的理论容量很高，但实际容量只有理论容量的一半。原因是在充电过程中锂离子应该与钴酸锂分离，但当分离量小于50%时，材料的形貌和晶型可以保持稳定。当锂离子去除量增加到50%时，钴酸锂材料将经历相变。如果此时继续充电，钴会溶解在电解液中产生氧气，严重影响电池的循环稳定性和安全性能。因此，钴酸锂的一般充电截止电压为4.2V.

磷酸亚铁锂(LFP):具有低能量密度和出色的安全性。

磷酸亚铁锂是目前最受欢迎的正极材料之一，理论比容量为170mAh/g，实际比容量超过150mAh/g，其主要特点是成本低、安全性好、循环寿命长，这使得磷酸亚铁锂材料迅速成为研究热点，磷酸铁锂电池在电动汽车领域得到了广泛应用。

磷酸亚铁锂的缺点也很明显，就是能量密度低。原因有二：

一是磷酸亚铁锂材料的电压只有3.3V左右，低于其他正极材料，使得磷酸铁锂电池的储能更低；二是磷酸亚铁锂导电性差，需要纳米化和包覆才能获得良好的电化学性能，使材料蓬松，压实密度低。磷酸铁锂电池的能量密度低于钴酸锂和三元电池。因此，磷酸铁锂电池主要用于电动公交车和少数乘用车。

磷酸铁在不久的将来会被淘汰吗？近期新能源汽车安全事故频发，被认为即将被三元材料取代的磷酸亚铁锂再次进入人们的视野。人们希望通过改性磷酸亚铁锂来提高其容量。目前，学者们在磷酸亚铁锂中加入Mn元素，使其具有更高的电压和更高的能量密度，并有相关研究通过复合技术将磷酸亚铁锂与NCM三元材料混合，在保持较高能量密度的同时，可以有效提高三元电池的安全性能。三元材料(NCM、NCA):性能可控，如何选路？

三元材料是锂镍钴锰氧化物(LiNixCoyMn1-x-y02)的俗称，在结构上与钴酸锂非常相似。这种材料可以在比能量、可回收性、安全性和成本方面进行平衡和调节。镍和锰的不同配置会给材料带来不同的性能：镍含量的增加会增加材料的容量，但会恶化循环性能；钴的存在可以使材料的结构更加稳定，但高含量会降低容量。锰的存在可以降低成本，提高安全性能，但如果含量过高，会破坏材料的层状结构。因此，寻找三种材料之间的比例关系来优化综合性能是三元材料研发的重点。常见的比例有NCM111、523、622、811等。在NCA(LiNio.8C0015Ah0502)中，锰元素被铝元素取代，在一定程度上提高了材料的结构稳定性，但其铝含量较少，因此大致可视为二元材料。

镍含量的增加如何改变材料性能？

(1)镍含量越高，材料的比容量越高。NCM811材料的比容量可达210mAh/g，比NCMIII材料高近25%。

(2)镍含量越高，材料的储存和开发越困难。镍含量高的三元材料容易吸水变质，降低了容量和循环寿命。而且部分水分会储存在晶体中，使电池在高温环境下产生气体，导致电池膨胀，带来安全隐患。

(3)镍含量越高，三元材料的热稳定性越差。例如，NCM111在约30分解，而NCM811在约220分解.

(4)镍含量的增加会带来电解液匹配的问题。高镍材料表面因吸水变质产生的LiOH等物质会与电解液发生反应，导致容量衰减和安全问题。因此，高镍材料的改性技术是一个重要的发展方向。改性技术包括掺杂其他元素、表面涂层等。例如，在颗粒表面用导电聚合物或无机材料进行纳米涂层可以提高循环寿命、高温性能和安全性。

未来路线是NCM811还是NCA？两者都是高镍含量的三元材料，性质相似，但有以下区别：

(1)1)ncm811中钴含量为0.1，NCA为0.15，由于钴价格较高，使得NCA原材料成本略高；

(2)用铝代替锰可以增强材料的稳定性，提高材料的循环性能。但是在制造过程中，由于铝是两性金属，不容易沉淀，所以NCA材料在制造过程中的阻隔性比NCM811更高。

(3)在电池制造方面，NCA对湿度等条件有更严格的要求，电池生产有技术门槛。目前这两种想法都是可行的。未来，哪些材料将率先攻克技术难关，实现量产，哪些材料将率先占领市场。