鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料，誰將是鋰電池正極材料的未來？

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正極材料是決定鋰離子電池性能的關鍵材料之一，也是目前商業化鋰離子電池中主要的鋰離子來源，其性能和價格對鋰離子電池的影響較大。目前研製成功並得到應用的正極材料主要有鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元材料鎳鈷錳酸鋰（NCM）和鎳鈷鋁酸鋰（NCA）等。

幾種商業化正極材料性能比較

1、鈷酸鋰（LCO）：適合小型電池，實際容量不高

鈷酸鋰是第一代商業化正極材料，在幾十年的發展中逐漸改性和提高，可以認為是最成熟的鋰離子電池正極材料。鈷酸鋰具有放電平台高、比容量較高、循環性能好、合成工藝簡單等優點。但該材料中含有毒性較大的鈷元素，且價格較高，製作大型動力電池時安全性難以保證。

鈷酸鋰仍是小型鋰電池的最佳選擇。目前在3C電子電池中，大多數仍使用鈷酸鋰而並非比容量更高的三元材料，原因是鈷酸鋰材料的壓實密度大於三元材料，即單位體積內能容納的鈷酸鋰量更多。在更為重視體積密度的小型電池中，鈷酸鋰佔有著一席之地。

鈷酸鋰晶體結構，其中白色的圓球表示鋰原子，紅色表示氧原子，藍色表示鈷原子

鈷酸鋰理論容量高，但實際容量卻只有理論的一半。原因是在充電過程中鋰離子要從鈷酸鋰材料中脫出，但脫出量小於50%時，材料的形態和晶型可以保持穩定。隨著鋰離子脫出量增大至50%時，鈷酸鋰材料將發生相變，如果此時繼續充電，鈷將溶解在電解液中併產生氧氣，嚴重影響電池循環穩定性和安全性能，因此一般的鈷酸鋰充電截止電壓為4.2V。

2、磷酸鐵鋰（LFP）：能量密度低，安全性突出

磷酸鐵鋰是目前廣受關注的正極材料之一，理論比容量為170mAh/g，實際比容量可達150mAh/g以上，其主要特點是不含有害元素，成本低廉，安全性非常好，循環壽命可達10000次，這些特點使得磷酸鐵鋰材料迅速成為研究熱點，磷酸鐵鋰電池也在電動汽車領域有了廣泛的應用。

磷酸鐵鋰的缺點也較為明顯，即能量密度低，原因有兩點：

• 一是磷酸鐵鋰材料的電壓僅有3.3V左右，低於其他正極材料，這使得磷酸鐵鋰電池儲存能量較低；
• 二是磷酸鐵鋰導電性較差，需要納米化並進行包覆才能獲得良好的電化學性能，這使得材料變得蓬鬆，壓實密度較低。

兩者綜合作用，使得磷酸鐵鋰電池的能量密度低於鈷酸鋰和三元電池。因此，磷酸鐵鋰電池主要應用於電動大巴車及少量乘用車中。

磷酸鐵鋰是否近期將被淘汰？近期新能源汽車安全事故頻發，被認為將很快被三元材料取代的磷酸鐵鋰再次進入人們的視野，人們希望通過對磷酸鐵鋰進行改性提高其容量。目前已有學者通過在磷酸鐵鋰中摻入Mn元素使其擁有更高的電壓和更高的能量密度，也有相關研究通過複合技術將磷酸鐵鋰與NCM三元材料進行混合，在保持三元素電池較高能量密度的同時可以有效提升其安全性能。

3、三元材料（NCM、NCA）：性能可調控，道路如何抉擇？

三元材料是與鈷酸鋰結構極為相似的鋰鎳鈷錳氧化物（LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂）的俗稱，這種材料在比能量、循環性、安全性和成本方面可以進行均衡和調控。

鎳、鈷、錳三種元素的不同配置可為材料帶來不同的性能：

1. 鎳含量增加將增加材料的容量，但會使循環性能變差；
2. 鈷的存在可使材料結構更加穩定，但含量過高會使容量降低；
3. 錳的存在可以降低成本並改善安全性能，但含量過高則會破壞材料的層狀結構。

因此，找到三種材料的比例關係以達到綜合性能最優化，是三元材料研發的重點。常見配比有NCM111、523、622、811等。NCA（LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂）則是將其中的錳元素用鋁元素來替代，一定程度上改善材料的結構穩定性，但其鋁含量較少，可近似看成是一種二元材料。

三元材料生產關鍵流程及設備

鎳含量升高對材料性質產生了怎樣的變化？

• （1）鎳含量越高，材料比容量越高。NCM811材料比容量可達210mAh/g，比NCM111材料增加近25%。
• （2）鎳含量越高，材料儲存和開發難度越大。高鎳三元材料極易吸水變質，降低容量和循環壽命。而且一部分水還會保存在晶體中，使得電池在高溫環境中產生氣體，造成電池脹氣，帶來安全隱患。
• （3）鎳含量越高，三元材料熱穩定性越差。如NCM11材料在300℃左右發生分解，而NCM811在220℃左右即分解。
• （4）鎳含量升高會帶來電解液匹配問題。高鎳材料表面由於吸水變質產生的LiOH等物質會與電解液反應，造成容量衰減和安全問題。

因此，對高鎳材料的改性技術是重要的發展方向。改性技術包括摻雜其他元素、表面包覆等，如用導電高分子或者無機材料在顆粒表面進行納米包覆，可提高循環使用壽命，提高高溫性能和安全性。

未來路線是NCM811，還是NCA？二者均為高鎳三元材料，性能比較接近，但存在以下幾點不同：

• （1）NCM811中鈷含量為0.1，NCA中鈷含量為0.15，這使得受鈷高昂價格的影響，NCA原料成本稍高；
• （2）以鋁代替錳，可以增強材料的穩定性，提高材料的循環性能，但是在製作過程中，由於鋁為兩性金屬，不易沉澱，因此NCA材料製作工藝上存在比NCM811更高的壁壘；
• （3）電池製造上，NCA對濕度等條件要求更加苛刻，電池生產存在技術門檻。

在目前看來，兩種思路都是可行的，未來哪種材料的技術難關率先被克服而實現大規模量產，哪種材料便能率先佔領市場。

來源：《西南證券-三元材料關鍵技術細節及測算》

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