鋰離子電池正極材料的發展趨勢是什么?

540505797123 2013-10-11 21:48:24 374 瀏覽

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jing1jing26 2013-10-12 00:00:00

鈷酸鋰材料作為diyi代商品化的鋰離子電池正極材料，還有許多不可取代的優勢：材料的加工性能很好，密度高，比容量相對較高，材料的結構穩定，循環性能好，材料的電壓平臺較高且比較穩定，是目前Z成熟，也是唯yi商業化的正極材料，在短時間內，特別是在通訊電池領域還有不可取代的優勢。但是其存在的價格昂貴、容量幾乎發揮到了極限、資源緊缺、安全性差等缺陷使得其必然在Z近的5到10年內遭受被取代命運。現在取代鈷酸鋰材料有兩個方向，一是在動力電池領域，錳酸鋰和磷鐵酸鋰是Z有希望的材料，二是在通訊電池領域，鎳鈷鋰和鎳鈷錳鋰三元材料是Z有希望代替鈷酸鋰的正極材料。錳酸鋰材料是除鈷酸鋰外研究Z早的正極材料，通過多年的研究，材料的性能得到較大的改善。其較高的安全性，低廉的價格，使其在動力電池領域有廣闊的應用前景；但是其較低的比容量，較差的循環性能，特別是高溫循環性能使得其應用受到了較大的限制，雖然通過Z近幾年的研究，循環性能得到一定的改善，但是高溫循環性能還沒有得到較好的解決，推遲了其大規模商業化的步伐。磷鐵酸鋰材料是Z近兩年才快速發展起來的正極材料，其低廉的價格，較高的安全性能，較好的結構穩定性，優越的循環性能使得其作為動力電池和備用電源領域有廣闊的應用前景，大有取代錳酸鋰之趨勢。但是其也存在一些難易解決的問題，特別振實密度低，體積比容量低，電導率低，低溫放電性能差，倍率放電差等問題需要繼續研究和改進。近年來世界范圍內大量研究已經使其取得的較大的發展和進步，使其產業化的阻礙已經得到較大的緩解，材料的電導率研究取得了較大的進步，振實密度和體積比容量低對動力電池來說，也許不是問題，現在問題的ZD集中在低溫性能和倍率放電方面。如果在Z近的一兩年內，材料的低溫和倍率性能取得突破的話，磷鐵酸鋰的產業化指日可待。從Z近的測試看這個問題基本得到了很好的解決，現在唯yi的問題是密度低。在小型通訊電池領域，Z有可能代替鈷酸鋰的是鎳鈷酸鋰和鎳鈷錳酸三元材料，目前市場上還沒有大量出現此類材料，但是隨著電子領域的快速發展，其對電池容量的要求也越來越高，必然推動高容量的鎳鈷類材料和鎳鈷錳三元材料的發展。鎳鈷酸鋰材料是一種容量比較高的材料，其比容量比鈷酸鋰高出30%以上，而且和鈷酸鋰有相同的上下限電壓，比較容易規模化利用，價格相對便宜。當然材料也存在一些缺點，材料的合成相對困難，材料的密度相對較低，材料的電壓平臺較低，充放電效率較低，和電解液相容性和安全性差等缺陷，還有待解決，但是隨著研究的深入，產業化會在Z近兩年內得到迅速發展。鎳鈷錳三元材料是另一種高容量的正極材料，比容量可以達到180mAh/g以上，是非常有前途的正極材料。此材料不僅有比容量高的優勢，而且安全性也相對較好，價格相對較低，與電解液的相容性好，循環性能優異，是Z有可能在小型通訊和小型動力領域同時應用的電池正極材料，甚至有在大型動力領域應用的可能。但是材料也有自身的缺點，diyi就是合成困難、合成條件苛刻、合成材料的穩定性差，第二是材料的電壓平臺相對較低，只有3.55v左右，第三是材料的密度和鈷酸鋰相比，相對較低，第四是材料的充電電壓較高，達到了4.5v左右，與鈷酸鋰有較大的差別。但是此材料的高容量和高安全性是其他材料無法比擬的，必將Z近的幾年內推向市場。因此，從目前的情況看，如果鈷酸鋰材料不尋求突破，其在未來的幾年內，必被其他正極材料所代替。但是這是在鈷酸鋰材料的容量和安全性能沒有突破的前提下的結論，如果鈷酸鋰材料在容量和安全性上有所突破的話，其商業壽命可能會走的更遠。現在鈷酸鋰在安全性和提高容量上正在尋找出路，也許通過包覆，會改善材料的表觀結構，可以提高電池的安全性和容量，但是進展很不明朗。現在的趨勢可以做如下的判斷：在通訊電池領域，Z近的3年內，鈷酸鋰仍然是離子電池的主角，在以后5年內，可能是鈷酸鋰和鎳鈷錳三元材料共存的時代，5年后，可能是鎳鈷錳三元材料的時代。在動力電池領域，由于鈷酸鋰的安全問題和高昂的價格，使其一直在動力電池門外徘徊，始終沒有完全進入動力電池領域。現在的情況是鈷酸鋰和錳酸鋰小批量配合使用，但是由于其固有的缺陷，使得其始終沒有大批量的進行商業化運作，產品只是在小批量試生產階段，目前大規模的商業化運作還有一些難以克服的困難。在動力電池領域磷酸基正極材料依其超長的循環壽命，極好的安全性能，較好的高溫性能，極其低廉的價格，而且低溫性能和倍率放電已經可以達到鈷酸鋰的水平等，使其成為Z有希望的動力電池材料，其在未來的5年內可能會成鎳鎘電池的主要替代品，在未來的10年內會成為鉛酸電池的有力競爭者，在未來的20年內可能會取代鉛酸電池，成為主要的啟動電源、UPS電源和后備電源，成為二次電池的老大。

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鋰離子電池正極材料的發展趨勢是什么?:

鋰離子電池正極材料: 不知道現在正極材料的研究前沿是什么？本人在讀研究生，實驗室有師兄在研究磷酸錳鯉，哪位專家給指點一下，看看有沒有新的研究方向或者新的方法，跟老板提這個要求時也好通過啊呵呵，先謝謝啦。

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【熱點應用】ED-XRF分析鋰離子電池正極材料

鋰離子電池正極材料的容量和能量密度對電池的性能起著關鍵作用。而在正極材料的三元層狀結構中，元素配比對材料的性能具有至關重要的影響，因此對正極材料中各種元素的準確定量是電池研發生產關鍵技術之一。

使用何種分析手段去定量正極材料中的元素？要考慮諸多因素，除了檢測速度、準確度、儀器穩定性等常見評價指標外，實驗室安全和環保成本，樣品前處理是否簡單？檢驗設備的易用性以及最小化人為誤差也是研發和生產質量控制中的不可忽視的問題。

目前，常用的鋰電池正極材料元素定量手段包括ICP-OES、ICP-MS、AAS以及XRF。

因正極材料樣品均質化的要求，ICP以及AAS需要液體進樣，所以樣品需要加入硝酸進行酸煮或微波消解成為液體。而這種前處理方法一方面存在消解不完全的情況，另一方面，廢酸的處理也增加了實驗室安全以及環保成本。此外，ICP方法只能分析痕量元素，所以樣品需要較大的稀釋倍數才能進樣，這樣也就帶來了較大的稀釋誤差。

這些檢測問題該如何解決呢？我們來看看X射線熒光光譜法（XRF）檢測鋰離子電池正極材料的幾點優勢：

相對而言，XRF與ICP相比可以直接進樣，不需要復雜的前處理步驟，檢測速度快。且樣品制備簡單：對于固體即可使用松散粉末直接進行測試，也可簡單壓片或進行玻璃熔珠測試；對于液體樣品，更可以使用液體杯直接原樣測試。

另一方面，XRF內部無復雜管路，光路簡單，不會產生污染以及堵塞風險，檢測濃度可以從ppm級至100%，對于正極材料而言，無論樣品中的主量元素還是微量元素都能夠進行準確定量，滿足生產控制檢測需求。

EDXRF在鋰電行業正極材料中的應用

正如上文所述，在實際生產過程中，正極材料因為摻雜或者碳包覆，其他檢測方法受制于常規酸很難消解樣品，無法實現準確且穩定地測量。因此，X射線熒光光譜技術（XRF）越來越多地被鋰電行業所接受并逐步應用。

近些年，快速發展的能量色散X射線熒光光譜（EDXRF）技術作為XRF技術的前沿分支，以其體積緊湊、使用方便等優勢得到了許多行業檢測用戶的認可。但在鋰電行業還未得到廣泛應用，究其主要原因，是由于普通能譜儀的檢測性能在缺乏標準品的情況下，無法滿足某些元素準確定量的檢測需求。

馬爾文帕納科作為X射線分析儀器的主要供應商，具有超過70年的行業經驗。在XRF產品的設計以及制造方面有豐富的經驗和獨特的技術。其推出的高性能臺式能譜儀 Epsilon4，裝配了動態高通量X射線管、大面積高分辨SSD探測器和超高計數電路及全功能算法軟件。其光路采用緊湊設計，可以獲取最高的信號靈敏度和更快的響應速度，充分滿足正極材料主量以及微量元素的測試需求。

應用實例一：前驅體溶液實驗分析

主要針對Ni(0-120g/L)、Co(0-120g/L)、Mn(0-120g/L)三種主量元素，Epsilon4 臺式能譜儀擬合曲線相關系數均在0.9999以上。其工作曲線如下：

與ICP穩定性對比實驗，Epsilon4 臺式能譜儀對前驅體容量進行多次測量，穩定性以及精密度均優于ICP。

應用實例二：NCM三元材料實驗分析

該實驗是通過Epsilon4臺式能譜儀針對NCM三元材料Ni（15-70%）、Co(5-30%)、Mn(5-30%)三種主量元素，采用壓片和玻璃熔珠兩種不同的制樣方法進行重復性測試，Epsilon4 臺式能譜儀擬合曲線相關系數均在0.9999以上。

實驗中，分別對三元材料的主量元素平行測試了10次，可以看到不論玻璃熔珠還是壓片的數據，其重復性RMS均小于0.01。

綜上所述，馬爾文帕納科Epsilon4 臺式能譜儀分析速度快、準確度高。與ICP對比具有更優異的精密度以及穩定性。針對正極材料不同的配方還配有具體的定制方案，是鋰電行業正極材料元素分析檢測值得信賴的工具。

馬爾文帕納科波長色散X射線熒光光譜儀因其強大的分析能力，除了滿足常規元素日常分析工作外，同樣可應用于鋰例子電池正極材料中的元素定量分析，且針對LiFePO4、NCM主量以及添加元素檢測均有具體的應用解決方案，我們將在下一篇推文“WD-XRF用于鋰離子電池正極材料分析”中具體介紹，敬請期待。

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