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　　鋰離子電池中正極材料所占成本約為40%，負(fù)極僅占5%左右，可見正極材料在鋰離子電池中的重要地位。正極材料主要分為三大類，分別是層狀結(jié)構(gòu)、尖晶石結(jié)構(gòu)和橄欖石結(jié)構(gòu)。尖晶石結(jié)構(gòu)和橄欖石結(jié)構(gòu)的代表性材料分別是LiMn2O4和LiFePO4,層狀結(jié)構(gòu)的代表材料則為LiMO2(M=Ni、Co、Mn)以及三元材料。

　　三元正極材料簡介

　　1999年來自新加坡國立大學(xué)的ZhaolinLiu等人首次提出不同組分的三元層狀Li(Ni,Co,Mn)O2材料，通過Ni-Co-Mn的協(xié)同作用，結(jié)合了LiCoO2循環(huán)性能好，LiNiO2高比容量和LiMnO2成本低安全性能好的優(yōu)點(diǎn)。

　　從圖1中可以對三元正極材料的性能做個大致了解

　　圖1幾種正極材料性能對比圖

　　就電動汽車來說，要想跑得更遠(yuǎn)，就必須有更高的電池能量，相比于廣泛應(yīng)用于動力電池的LFP來說，三元材料有更高的能量，在提高續(xù)航能力方面很有前景。目前行業(yè)內(nèi)電動汽車價格居高難下，動力電池的造價很高是重要原因之一，它的價格幾乎占了整車的一半。

　　三元正極材料具有更長的壽命，使動力電池可以使用的更久，從而提高電動汽車的性價比。然而，去年1月國家叫停了三元鋰離子電池在客車上的使用，主要是出于三元材料安全性能不穩(wěn)定的考慮。畢竟，在知識爆炸的今天，沒有什么能阻擋人們對新科技的探索，除了安全問題。

　　隨著Ni-Co-Mn三種元素比例的變化，大致將三元材料分為兩類，Ni:Mn等量型和富鎳型。前者的Co為+3價，Ni為+2價，Mn為+4價，Mn不變價起穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用，Ni在充電時失去2個電子，保持材料的高容量特性。

　　為提高電池容量，增加Ni的含量，稱為富鎳型，這類材料中Co為+3價，Ni為+2/+3價，Mn為+4價。充電電壓低于4.4V（相對于Li+/Li）時,Ni+2/+3被氧化，形成Ni+4;繼續(xù)充電，在較高電壓下，Co3+參與反應(yīng)生成Co4+。在4.4V以下充放電時，Ni的含量越高，材料可逆比容量越大。

　　用Al3+替代Mn4+形成的NCA也屬于高鎳三元材料，Al3+和Mn4+一樣價態(tài)不變起穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用，Co含量影響材料離子導(dǎo)電性，含量越高充放電倍率性越好。圖2把不同組分三元材料的性能進(jìn)行了對比。

　　圖2不同組分三元材料放電比容量、熱穩(wěn)定性和容量保持率的關(guān)系

　　從圖中可以看出，隨著Ni含量增高，放點(diǎn)比容量由160mA·h·g-1增加到了200mA·h·g-1以上，同時熱穩(wěn)定性和容量保持率有所降低。

　　3.三元材料存在的問題

　　·Ni含量增加帶來的影響

　　通過增加三元材料中Ni的含量，可以提高電池的容量。然而，循環(huán)性、熱穩(wěn)定性卻隨之變差。當(dāng)Ni含量增加時，會在氧化還原過程中伴隨相變的發(fā)生，造成容量的衰減。Ni含量增加還降低了熱分解溫度，使放熱量增加，造成材料熱穩(wěn)定性變差。對于高鎳Li[NixCoyMnz]O2材料，x>0.6的材料很容易于空氣中CO2和H2O反應(yīng)生成Li2CO3、LiOH前者是造成氣脹的元兇，后者會與電解液中的LiPF6反應(yīng)。x的數(shù)值更高時，帶來的影響更嚴(yán)重。

　　·與電解液的匹配

　　在電解質(zhì)和正極材料的界面處的反應(yīng)和電荷傳輸會影響鋰離子電池的性能，活性材料的腐蝕和電解液的分解將嚴(yán)重影響電荷在電極/電解液界面的傳輸。

　　·表面反應(yīng)不均勻

　　來自韓國科學(xué)技術(shù)研究院的SooyeonHwang[3]等人研究發(fā)現(xiàn)，NCA在充電過程中結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，粒子表面的Li更容易脫出，造成表面的晶體和粒子結(jié)構(gòu)變得不均勻，這種變化會使材料發(fā)生快速的容量衰減和阻抗上升。

　　4.三元材料的研發(fā)方向

　　來自武漢大學(xué)的艾新平教授對下一代動力電池做出了預(yù)測，提到以NCM、NCA為正極，石墨類碳為負(fù)極的電池體系達(dá)到150～170Wh／kg的近期目標(biāo)無難度，但安全性是制約其裝車應(yīng)用的主要障礙；

　　表1為各個階段中，各種電池體系比能量值的預(yù)測：