浅谈锂离子电池高镍三元正极材料

袁庆华

摘要：本文主要对锂离子电池高镍三元正极材料进一步分析了解。锂离子电池的飞速发展、新能源汽车的工业化趋势，带动了高能量密度、安全性高且成本低廉的电极材料的研发。在正极材料中，高镍三元材料由于具有这一系列的优点而得到了广泛的关注。

关键词：锂离子电池；高镍；三元正极材料

引言：

随着经济社会的快速发展，人类对于能源的需求不断增加，传统化石能源也随着时间的推移而逐渐耗尽。传统化石能源在使用过程中对环境的影响越来越不可忽视，全球气温变暖，空气质量的下降很大程度上都与化石能源的燃烧有关。因此，开发新型的清洁可再生能源具有十分重要的意义。化学电源作为一种储能转换装置，在目前人们的日常生活中起着至关重要的作用。锂离子电池由于其高能量密度，高功率密度，环境友好性而得到了广泛的研究。锂离子电池也已被广泛的应用在交通运输、储能转换、医疗设施与航空航天等多个领域。

一、锂离子电池的概述

锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。锂离子电池是一种浓差电池，其正极和负极可进行锂离子可逆的脱出和嵌入，正极通常是高电位锂和过渡金属的氧化物，负极通常是低电位嵌锂化合物。锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。

二、三元正极材料的概述

到目前为止最先进的可充电电池就是锂离子电池，1991年索尼集团把锂电池技术推向了世界，一直以来电池材料的不断进步成为推动锂电池技术向前发展的动力之一，先进的电极材料成为了锂电池更新换代的关键技术。钴酸锂电池的正极材料是钴酸锂LiCoO2，三元材料则是镍钴锰酸锂Li（NiCoMn）O2，三元复合正极材料前驱体产品，是以镍盐、钴盐、锰盐为原料，里面镍钴锰的比例可以根据实际需要调整，三元材料做正极的电池相对于钴酸锂电池安全性高，钴酸锂和三元材料都是良好的锂电池正极材料，但是其化学特性各有差异，因此，针对其不同的化学特性，应用领域也有所不同。LiCoO2由于生产工艺简单、压实密度高、电化学性能较好等优势最先实现商品化，即使有众多新材料的涌现，它仍然占有一定锂电池材料的场份额。但是钴资源缺乏，价格昂贵，使其只能在小电池上得到应用，并且钴具有放性，污染环境，LiCoO2固相合成时反应物难以混合均匀，需要较高的煅烧温度和较长的反应时间，钴酸锂电池的实际比容量只有理论比容量的50%左右，电池的循环寿命和安全性能差，而且成本无法降下来，限制了钴酸锂在锂电池领域的大规模使用。

三、锂离子电池正极材料分析

正极材料是锂离子电池中最为重要的一部分之一，正极材料的性能在很大程度上限制了整个锂离子电池的性能。目前，负极材料中常用的碳的比容量可达339mAhg-1，而硅基负极的比容量更是达到了4212mAhg-1。正极材料的比容量远没有达到这一数值。因此，对正极材料的研究主要应该针对其放电比容量低的问题，开发比容量高，成本低，稳定性好的正极材料。而作为一种理想的锂离子电池正极材料，一般需要具备以下特点：

（1）较高的Li+脱出嵌入的可逆性，同时在脱嵌过程中体积变化较小。

（2）较多的可自由脱出嵌入的Li+。

（3）较快的锂离子扩散速率和较高的电子电导率。

（4）充放电过程中的较为平稳的电压平台。

（5）资源丰富，价格低廉，环境友好。

（6）合成工艺简单、批次性好。

四、试验分析

1.高镍三元正极材料Li（Ni0.8Co0.1Mn0.1）O2的制备

采用水热法结合高温固相法制备高镍三元材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2，首先，按一定摩尔比在烧杯中称取乙酸镍（2.32914g）、乙酸钴（0.29142g）和乙酸锰（0.28676g），在往烧杯中加入30ml去离子水混合搅拌均匀，过程大概2h，再加入一定量的尿素（2.45946g）使其完全溶解。随后把混合的溶液转移至干净的100ml聚四氟乙烯反应釜中，将其密闭后放入200℃的烘箱并保温10h，取出冷却后得到蓝色溶液和黄绿色沉淀，将沉淀用去离子水洗涤数次，置于烘箱中烘干称取对应量的氢氧化锂研磨均匀，最后放置在坩埚中于均匀的氧气气氛管式炉中500℃保温5h，800℃保温15h，升温速率为3℃/min，自然降温后取出产物，为黑色粉末状，用研钵研磨成细粉状，得到制备的Li（Ni0.8Co0.1Mn0.1）O2。

2.不同钛酸锂包覆量的高镍三元材料的制备

取一定量的纯相Li（Ni0.8Co0.1Mn0.1）O2溶于在50ml乙醇中，加入1ml冰醋酸，搅拌至均匀分散。用移液枪移取一定量的钛酸四丁酯加入溶液中继续拌，将溶液加热至50℃保温2h，反应完成后将溶液过滤烘干，并加入相应量的锂源，置于空气气氛的管式炉中，700℃烧结2h，将所得的黑色粉末研磨均匀，最后得到钛酸锂包覆的高镍三元正极材料。其中，取1.8wt%、2.7wt%、3.6wt%包覆量的样品分别标记为LTO-0@NCM、LTO-1@NCM、LTO-2@NCM、LTO-3@NCM。

3.扣式电池的组装

将制备好的高镍三元正极材料，乙炔黑，PVDF（粘结剂），按质量比8：1：1的比例均匀混合，并加入适量N-甲基吡咯烷酮，置于球磨罐中球磨2h使其混合均匀，接着将搅拌好的浆料均匀的涂在铝箔粗糙的一面上，放于干燥箱中80℃烘干，转移至真空干燥箱中100℃继续干燥9h，得到正极极片。用冲片机将极片压成半径约为14mm的圆片，称量质量，按正极壳、正极极片、隔膜、锂片、泡沫镍，最后负极壳的顺序电池在氩气手套箱中组装电池，每一之间滴加适量电解液使其充分浸润，最后放入封口机中对纽扣电池封口，静置过夜后进行充放电测试以及其他测试。其中本实验中纽扣电池使用的隔膜为Celgard2400微孔聚丙烯薄膜，电解液为体积比为1：1：1的EC+DMC+DEC的混合溶液中溶解1MLiPF6，锂片作为对电极，泡沫镍作为垫片。

结束语：

总而言之，电池材料的不断进步成为推动锂电池技术向前发展的动力之一，先进的电极材料成为了锂电池更新换代的关键技术。为了让锂电池的应用范围更广泛，实现在对比容量、循环性能、倍率性能、安全性能要求都很高的动力电池上的应用，必须要对三元材料进一步研究和进展，而且它可以广泛应用的关键就是在保证制备的锂电池的电化学性能不下降的前提下提高其振实密度。

参考文献：

[1]曹辉，陈为亮.锂离子电池正极材料锂镍氧的研究进展[J].电池工业，2003，8（1）：31-35

[2]万传云.锂离子电池正负极材料市场发展趋势[J].电池工业，2005，10（6）：369-371

[3]刘效柳.世界新型绿色电池发展及应用前景[J].中国环保产业，2004，1：46-46

[4]王健，张英杰，董鹏，等.锂离子电池三元正极材料Li[Ni，Co，Mn]O2表面包覆的进展[J].电源技术，2014，38（3）：560-563