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锂电池镍钴锰三元材料最新研究进展

导读: 镍钴锰三元材料是近年来开发的一类新型锂离子电池正极材料,具有容量高、循环稳定性好、成本适中等重要优点,由于这类材料可以同时有效克服钴酸锂材料成本过高、锰酸锂材料稳定性不高、磷酸铁锂容量低等问题,在电池中已实现了成功的应用,并且应用规模得到了迅速的发展。

镍钴锰三元材料是近年来开发的一类新型锂离子电池正极材料,具有容量高、循环稳定性好、成本适中等重要优点,由于这类材料可以同时有效克服钴酸锂材料成本过高、锰酸锂材料稳定性不高、磷酸铁锂容量低等问题,在电池中已实现了成功的应用,并且应用规模得到了迅速的发展。

锂电池镍钴锰三元材料最新研究进展

据披露,2014年中国锂离子电池正极材料产值达95.75亿元,其中三元材料为27.4亿元,占有率为28.6%;在动力电池领域,三元材料正强势崛起,2014年上市的北汽EV200、奇瑞eQ、江淮iEV4、众泰云100等均采用三元动力电池。

2015年上海国际车展,在新能源汽车中,三元锂电池的占有率超过了磷酸铁锂电池成为一大亮点,包括吉利、奇瑞、长安、众泰、中华等大部分国内主流车企都纷纷推出采用三元动力电池的新能源车型。许多专家预言:三元材料凭借其优异的性能和合理的制造成本有望在不久的将来取代价格高昂的钴酸锂材料。

人们发现:镍钴锰三元正极材料中镍钴锰比例可在一定范围内调整,并且其性能随着镍钴锰的比例的不同而变化,因此,出于进一步降低钴镍等高成本过渡金属的含量,以及进一步提高正极材料的性能的目的;世界各国在具有不同镍钴锰组成的三元材料的研究和开发方面做了大量的工作,已经提出了多个具有不同镍钴锰比例组成的三元材料体系。包括333,523,811体系等。一些体系已经成功地实现了工业化生产和应用。

本文将较为系统地介绍近年来几种主要的镍钴锰三元材料的最新研究进展及其成果,以及人们为了改进这些材料的性能而开展的掺杂、包覆等方面的一些研究进展。

1镍钴锰三元正极材料结构特征

镍钴锰三元材料通常可以表示为:LiNixCoyMnzO2,其中x+y+z=1;依据3种元素的摩尔比(x∶y∶z比值)的不同,分别将其称为不同的体系,如组成中镍钴锰摩尔比(x∶y∶z)为1∶1∶1的三元材料,简称为333型。摩尔比为5∶2∶3的体系,称之为523体系等。

333型、523型和811型等三元材料均属于六方晶系的α-NaFeO2型层状岩盐结构,如图1。

锂电池镍钴锰三元材料最新研究进展

镍钴锰三元材料中,3种元素的的主要价态分别是+2价、+3价和+4价,Ni为主要活性元素。其充电时的反应及电荷转移如图2所示。

锂电池镍钴锰三元材料最新研究进展

一般来说,活性金属成分含量越高,材料容量就越大,但当镍的含量过高时,会引起Ni2+占据Li+位置,加剧了阳离子混排,从而导致容量降低。Co正好可以抑制阳离子混排,而且稳定材料层状结构;Mn4+不参与电化学反应,可提供安全性和稳定性,同时降低成本。

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