鋰離子電池正極材料
    自從90年代NEC率先推出鋰離子電池以來，鋰離子電池行業(yè)迅猛發(fā)展，尤其是其正極材料的技術(shù)不斷取得突破，已經(jīng)從鈷酸鋰材料一枝獨秀，發(fā)展成鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、磷酸鐵鋰材料齊頭并進的態(tài)勢。這些材料根據(jù)其各自的特點，適用于不同的領(lǐng)域。
     鈷酸鋰材料作為**代商品化的鋰離子電池正極材料，還有許多不可取代的優(yōu)勢：材料的加工性能很好，密度高，比容量相對較高（160mAh/g）。鈷酸鋰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，循環(huán)性能好，材料的電壓平臺較高且比較穩(wěn)定，是目前*成熟的正極材料，廣泛用于小型鋰離子電池。但由于價格昂貴且**性能差，不適合用在動力電池領(lǐng)域。
     鎳鈷酸鋰二元材料是一種高容量的正極材料，比容量比鈷酸鋰高出30%以上，而且和鈷酸鋰有相同的上下限電壓，是替代鈷酸鋰的理想材料。但該材料的多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致活性較高、吸水性強、均漿困難、與電解液相容性差，**性能相對較差。
     鎳鈷錳三元材料也是一種高容量的正極材料（155～165mAh/g）。該材料不僅具有能量密度高的優(yōu)勢，而且循環(huán)性能優(yōu)異，**性能相對較好，適宜用作小型動力源，例如便攜式電動工具、移動電話、筆記本電腦、攝錄機等領(lǐng)域。但該材料價格昂貴，不適宜大型動力電池上單獨使用，將其與電壓平臺相近的錳酸鋰混合使用是個不錯的解決方案。
     錳酸鋰材料是除鈷酸鋰外開發(fā)*早的正極材料，具有較高的電壓平臺、良好的**性能和低廉的價格。經(jīng)過多年的研究，錳酸鋰材料的性能得到較大的改善，改性后的錳酸鋰具有良好的常溫循環(huán)（300圈90％）和高溫循環(huán)（55℃300圈80％）性能，是目前動力電池領(lǐng)域廣泛使用的正極材料，但該材料克容量較低（100～110mAh/g），常與其他高容量正極材料混用。
     磷鐵酸鋰材料是*近幾年快速發(fā)展起來的一種新的正極材料，其具有較高的克容量（130～140mAh/g）、穩(wěn)定的充放電平臺、優(yōu)良的**性能、良好的耐高溫性能和倍率放電性能、較好的低溫性能以及超長的循環(huán)壽命，在動力電池和備用電源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。磷鐵酸鋰的缺點是電壓平臺低（3.2V）、振實密度低（1.0～1.3g/cm3）,制成的電池比能量較低。另外磷酸鐵鋰的制備過程對工藝要求十分嚴格，不同批次產(chǎn)品質(zhì)量容易出現(xiàn)較大差異，不過從正極材料的技術(shù)發(fā)展態(tài)勢來看，此問題不久將得到解決。從資源儲量、材料價格、電池**、電池壽命、性價比等多方面綜合考慮，磷酸鐵鋰材料將是將來*有市場前景的動力電池正極材料。

聚合物磷酸鐵鋰動力電池的電化學性能
 
     萬向電動汽車有限公司一直致力于聚合物鋰離子動力電源的研發(fā)和應(yīng)用工作，涉及電芯的生產(chǎn)、電池組的設(shè)計和制造以及動力電源的集成等，公司在新一代磷酸鐵鋰動力電池的開發(fā)方面取得了顯著的成果，表2是公司采用磷酸鐵鋰材料制作聚合物磷酸鐵鋰電芯的部分測試數(shù)據(jù)。
能量型
     將12Ah能量型電池置于常溫環(huán)境中進行0.5C充1C放循環(huán)，電壓范圍設(shè)定在3.9V～2.3V之間，經(jīng)過1000次循環(huán)之后，電池的容量保持率為94%。圖1為電池常溫循環(huán)容量曲線，由圖可見環(huán)境溫度的變化會引起電池容量的波動。磷酸鐵鋰材料的高溫性能非常出色，由圖2可見，電池在60℃高溫環(huán)境中0.5C充電1C放電，容量發(fā)揮有所上升，循環(huán)300周，容量保持率為88%。圖3為電池低溫放電曲線。
功率型
     圖4為7Ah功率型磷酸鐵鋰電池的1C充10C放倍率循環(huán)曲線，由圖可見1000次循環(huán)容量保持率仍有78.8%，電池放電時表面*高溫度僅為37℃。圖5、圖6為電池在不同倍率下的充電曲線。由圖5可見，電池的充電平臺較為平緩，適合快充，6C倍率下7.5分鐘可充進75%容量（恒流階段）。表3則列出了倍率充放電詳細數(shù)據(jù)。
 

24V/12Ah電池組
     將8個12Ah電池單體串聯(lián)制作成2 4 V/1 2 Ah電池組（體積比能量為180Wh/L），并進行放電測試，見圖7測試結(jié)果表明，電池組在同樣電流下放出的容量比單體電池更高，經(jīng)分析是由于電池組的層疊結(jié)構(gòu)使得電池放電時的熱量難以散發(fā)，溫度有所上升使電池的容量發(fā)揮得到提高。聚合物磷酸鐵鋰電池具有優(yōu)良的**性能。針刺實驗（圖8）不發(fā)熱不冒煙不起火；擠壓實驗（圖9）不冒煙不起火，斷口處溫度為45℃；在3C10V過充實驗中（圖10），電池發(fā)生嚴重漲氣，但未冒煙。
鋰離子動力電池市場現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
     由于能源緊缺和環(huán)境污染問題的日益嚴重，尋找替代石油的清潔能源已經(jīng)成為世界各發(fā)達國家的研究熱點，鋰離子動力電池應(yīng)運而起，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊，主要有：
（1）電力儲能設(shè)備：太陽能、風能電力儲能系統(tǒng)、不間斷電源U PS、汽車啟動電瓶；
（2）電動工具類：高功率電動工具（無線）、電鉆、除草機等；
（3）電動車輛：純電動車（E V）、混合動力汽車（H EV）、電動自行車、休閑車、　高爾夫球車、電動推高機、清潔車、電動叉車；
（4）小型設(shè)備：醫(yī)療設(shè)備：電動輪椅車，電動代步車、電動玩具、航模；
（5）其它小型電器：礦燈、植入性的醫(yī)療器械等。
     上述領(lǐng)域大部分被鉛酸、鎳鎘電池所占有，其中鉛酸蓄電池由于有強大的汽車工業(yè)的支撐，占有80%左右的市場份額，全球年銷售額超過200億美元。鋰離子動力電池雖然在性能上優(yōu)于其它種類的電池，但高昂的成本導(dǎo)致其性價比不具備明顯的優(yōu)勢，因此在整個動力電池領(lǐng)域的市場占有率還非常小。目前鋰離子動力電池主要應(yīng)用于礦燈、電動工具、航模以及**電動自行車市場，純電動汽車和混合動力汽車雖然是個巨大的潛在市場，但也同樣由于電池成本居高不下導(dǎo)致商業(yè)化進程緩慢。而磷酸鐵鋰動力電池將很有可能改變這一格局。
     動力電池市場占有率*高的鉛酸電池的能量密度為3 0～5 0 Wh/Kg，循環(huán)壽命一般在300～500次，能正常使用1～2年；而采用磷酸鐵鋰為正極材料的鋰離子動力電池的能量密度為90～120Wh/Kg，循環(huán)壽命能達到2000次以上，可正常使用7～8年。依此綜合考慮，磷酸鐵鋰電池的性價比完全超過鉛酸電池。雖然磷酸鐵鋰與鋰離子電池的應(yīng)用時間遠遠短于鈷酸鋰和錳酸鋰，尚停留在產(chǎn)品應(yīng)用的初級階段，但筆者相信在經(jīng)歷了一個逐步被市場接受的過程之后，磷酸鐵鋰動力電池必作為鉛酸電池的有力競爭者，成為未來動力電池的主流。

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本文由日本NEC鋰電池中國營銷中心于2023-04-27 09:14:08 整理發(fā)布。
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