錳酸鋰、三元材料、磷酸亞鐵鋰_三類鋰電池材料特性對比

　　錳酸鋰簡介

　　錳酸鋰是較有前景的鋰離子正極材料之一，相比鈷酸鋰等傳統正極材料，錳酸鋰具有資源豐富、成本低、無汙染、安全性好、倍率性能好等優點，是理想的動力電池正極材料，但其較差的循環性能及電化學穩定性卻大大限制了其產業化。錳酸鋰主要包括尖晶石型錳酸鋰和層狀結構錳酸鋰，其中尖晶石型錳酸鋰結構穩定，易於實現工業化生產，如今市場產品均為此種結構。尖晶石型錳酸鋰屬於立方晶系，Fd3m空間群，理論比容量為148mAh/g，由於具有三維隧道結構，鋰離子可以可逆地從尖晶石晶格中脫嵌，不會引起結構的塌陷，因而具有優異的倍率性能和穩定性。

　　如今，傳統認為錳酸鋰能量密度低、循環性能差的缺點已經有了很大改觀（萬力新能典型值：123mAh/g，400次，高循環型典型值107mAh/g，2000次）。表面修飾和摻雜能有效改性其電化學性能，表面修飾可有效地抑制錳的溶解和電解液分解。摻雜可有效抑制充放電過程中的Jahn-Teller效應。將表面修飾與摻雜結合無疑能進一步提高材料的電化學性能，相信會成為今後對尖晶石型錳酸鋰進行改性研究的方向之一。

　　

　　三元材料簡介

　　三元聚合物鋰電池是指正極材料使用鋰鎳鈷錳三元正極材料的鋰電池，鋰離子電池的正極材料有很多種，主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。三元材料綜合了鈷酸鋰、鎳酸鋰和錳酸鋰三類材料的優點，具有容量高、成本低、安全性好等優異特性，其在小型鋰電中逐步佔據一定的市場份額，並在動力鋰電領域具有良好的發展前景。

　　對鋰電池而言，鈷金屬是必不可少的材料。但是金屬鈷一方面價格高昂，一方面存在毒性，無論技術領先的日韓企業還是國產電池廠商近年來都致力於電池「少鈷化」。在這種趨勢下，以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料製備而成的鎳鈷錳酸鋰三元材料漸漸受到推崇。從化學性質角度出發，三元材料屬於過度金屬氧化物，電池的能量密度較高。

　　儘管在三元材料中，鈷的作用仍不可缺少，但質量分數通常控制在20%左右，成本顯著下降。而且同時兼具鈷酸鋰和鎳酸鋰的優點。隨著近年來國內外廠商不斷加碼生產，以三元材料為正極材料的鋰電池取代商用鈷酸鋰的趨勢已十分明顯。

　　大到電動汽車，小到智慧型手機、可穿戴設備或者充電寶，這種新型技術都完全適用。特斯拉［微博］最早將三元電池應用在電動汽車上，ModelS續航裡程能夠達到486公裡，電池容量達到85kWh，採用了8142個3.4AH的松下18650型電池。工程師將這些電池以磚、片的形式逐一平均分配最終組成一整個電池包，電池包位於車身底板。

　　從全球範圍來看，各方對三元材料的研發生產都在不斷推進。在這個過程中，材料性能大幅提升，應用領域也一再拓展。日、韓企業是三元材料電池研發的佼佼者。國內三元材料生產從2005年左右起步，目前也已出現了十多家規模企業。

　　

　　磷酸亞鐵鋰簡介

　　磷酸鐵鋰作為鋰動力電池材料是近幾年才出現的事，國內開發出大容量磷酸鐵鋰電池是2005年。其安全性能與循環壽命是其它材料所無法相比的，這些也正是動力電池最重要的技術指標。1C充放循環壽命達2000次。單節電池過充電壓30V不燃燒，穿刺不爆炸。磷酸鐵鋰正極材料做出大容量鋰離子電池更易串聯使用，以滿足電動車頻繁充放電的需要。

　　磷酸鐵鋰具有無毒、無汙染、安全性能好、原材料來源廣泛、價格便宜，壽命長等優點，是新一代鋰離子電池的理想正極材料。磷酸鐵鋰電池也有其缺點，例如磷酸鐵鋰正極材料的振實密度較小，等容量的磷酸鐵鋰電池的體積要大於鈷酸鋰等鋰離子電池，因此在微型電池方面不具有優勢。

　　由於磷酸鐵鋰材料的固有特點，決定其低溫性能劣於錳酸鋰等其他正極材料。一般情況下，對於單只電芯（注意是單只而非電池組，對於電池組而言，實測的低溫性能可能會略高，這與散熱條件有關）而言，其0℃時的容量保持率約60～70%，-10℃時為40～55%，-20℃時為20～40%。這樣的低溫性能顯然不能滿足動力電源的使用要求。當前一些廠家通過改進電解液體系、改進正極配方、改進材料性能和改善電芯結構設計等使磷酸鐵鋰的低溫性能有所提升。

　　電池存在一致性問題。單體磷酸鐵鋰電池壽命目前超過2000次，但電池組的壽命會大打折扣，有可能是500次。因為電池組是由大量單體電池串並而成，其工作狀態好比一群人用繩子綁在一起跑步，即使每個人都是短跑健將，如果大家的動作一致性不高，隊伍就跑不快，整體速度甚至比跑得最慢的單個選手的速度還要慢。電池組同理，只有在電池性能高度一致時，壽命發揮才能接近單體電池的水平。

　　

　　三類鋰電池材料特性對比_錳酸鋰價格最低

　　

　　從上述表格中可以看到，錳酸鋰材料價格最低，每噸5-6萬元，相應的電池循環壽命次數、儲存性能的表現也是最一般的，分別是≥300次，月衰減5%以上。三元材料鋰電池材料價格每噸16-20萬元，儲存性能表現最好，月衰減1-2%，電池循環壽命≥600次。鋰酸亞鐵鋰材料價格每噸15-18萬元，電池循環壽命表現最好≥1500次，儲存性能在三者當中表現中等，月衰減3%。

　　三類鋰電池材料應用_錳酸鋰或成未來主宰

　　上表中提到的數值是三類鋰電錶現的硬性參數，鋰電的安全性、穩定性、耐低溫等性能同樣是綜合評判鋰電性能的重要指標。

　　1、錳酸鋰

　　高溫性能、循環性能、儲存性能較差，錳在高溫情況下易分解，電池組的使用壽命短不易存儲。

　　2、三元材料鋰電池

　　高低溫、循環、安全性、存儲及個項電性能都比較平均。體積比能量高，材料價格適中並且性能穩定。

　　3、磷酸亞鐵鋰

　　安全性能好，電導率低，體積比能量低，材料成本高，低溫性能很差，不能滿足電動車冬天使用。

　　雖然三元材料在國內外都有研發，但是鈷元素日益缺乏，成本較高，很難大批量應用於動力鋰電，但是可以和錳酸鋰在一定範圍內混合使用。

　　總體而言，三類鋰電池各有優缺點，在市場當中都得到了不同層次的應用，但三元材料資源匱乏的問題是無法彌補的。因此有業內人士認為，錳酸電池將會是未來動力方面的主宰，三元材料最多將與錳酸鋰混合使用，而磷酸鐵鋰，由於其安全性問題是沒有辦法可以避免的，所以，用於對安全性要求很高的動力方面來說並不適合。

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