科普 | 什么是锂电池正极材料？

什么是锂电池正极材料？

锂电池正极材料，是锂离子电池构成材料的一部分，它直接决定着锂电池的能量密度、安全性、循环寿命等性能，占有较大比例（正负极材料的质量比为3: 1~4：1）。

生产正极材料的主要原材料包括硫酸镍、硫酸锰、硫酸钴、金属镍、电池级碳酸锂、电池级氢氧化锂，主要辅料包括烧碱、氨水、硫酸等，该等原辅材料主要为大宗化学制品，市场供应较为充足。

正极材料的构成

锂电池正极材料的主要化合物为：碳酸锂、氢氧化锂、硫酸钴、硫酸镍、硫酸锰。

上游为锂、钴、镍、锰等矿物资源，原材料成本占比高达90%。

锂资源

锂是一种质软的银白色金属，电极电势低、电化学当量大，是最理想的电池金属。

碳酸锂、氢氧化锂是制造锂电池正极的主要原材料，主要提取自锂矿、盐湖卤水。

全球锂资源供应非常集中，南美合计占比58%，澳洲占比19%，我国占比为7%，且国内79%锂资源储存在盐湖之中。

钴资源

钴是一种银白色铁磁性金属，没有单独的钴矿床，往往伴生于镍、铜、铁、锌等硫化物矿床之中。

钴作为一种稀缺的战略金属，价格昂贵。

全球钴资源储量约830万吨，其中刚果（金）全球储量占比48.2%。

国内80%的钴用于加工硫酸钴，作为动力电池三元材料前驱体，因此钴价格的变动对电池成本影响较大。

镍资源

全球镍资源主要分布于赤道附近的国家，如澳大利亚、巴西等。

菲律宾、印尼由于具有成本优势、运输方便，是国内镍资源主要供应国。

镍、钴、锰均为过渡金属元素，所形成的固溶体可以任意比例混合：

镍可以提升电池容量；锰可以保证电池安全性；钴可以减少阳离子混排，有利于电池循环性能。

锰资源

电解二氧化锰是制备锰酸锂电池的主要原材料，硫酸锰是生产三元锂动力电池前驱体的主要原材料。

全球锰资源主要分布于南非、澳大利亚、巴西、印度、我国、加蓬。

主要的正极材料有哪几种？

目前商用锂电池主流正极材料有磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、三元材料（NCM）等。

钴酸锂

作为第一代商品化的锂电池正极材料，凭借振实密度大、能量密度高、工作电压高等优势，在小型充电电池中得到广泛应用，尤其在中高端的3C电子产品领域保有主导地位。随着下游对产品能量密度提升和对电池体积限制的需求不断上涨，促使钴酸锂产品不断朝着高压方向发展，从而直接有效提升电池能量密度。

三元正极材料

三元材料具体又包括镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂两个系列。相较于单一的元素，三种元素的综合，在具备同样的优点之下，还具有更高的能量密度和更长的续航里程。

锰酸锂

是除钴酸锂以外研究最早的锂电池正极材料。锰广泛存在在自然界中，全球锰矿资源非常丰富，我国是全球最大的电解锰生产基地，拥有极为突出的成本优势。同时锰酸锂的安全性能好，但循环性能较差，尤其是高温循环性能差，导致其应用范围狭窄，目前主要应用于低端数码产品和电动自行车等领域。

磷酸铁锂

最大的优点就是成本低、安全性较好，同时，高温性能较好、循环寿命较长，但能量密度较低、低温性能较差，主要适用于新能源商用车、价格敏感的新能源乘用车和对安全要求非常高的储能等领域。

锂离子电池正极材料生产工艺

锂离子电池正极材料的性能直接影响着锂离子电池的性能，其成本也直接决定电池成本高低。正极材料的工业化生产工序较多，合成路线也相比较较复杂，对温度、环境、杂质含量的控制也比较严格。正极材料的工业化生产工序较多，合成路线也相比较较复杂，对温度、环境、杂质含量的控制也比较严格，正极材料重要有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等。

煅烧技术，采用微波干燥新技术干燥锂离子电池正极材料，解决了常规锂离子电池正极材料干燥技术用时长，使资金周转较慢，并且干燥不均匀，以及干燥深度不够的问题，具体特点有：

1、采用锂离子电池正极材料微波干燥设备，快捷迅速，几分钟就能完成深度干燥，可使最终含水量达到千分之一以上；

2、干燥均匀，产品干燥品质好；

3、锂离子电池正极材料高效节能，安全环保；

4、其无热惯性，加热的即时性易于控制。微波烧结锂离子电池正极材料具有升温速度快、能源利用率高、加热效率高和安全卫生无污染等特点，并能提高产品的均匀性和成品率，改善被烧结材料的微观结构和性能。

锂离子电池正极材料一般制备方法

固相法

一般选用碳酸锂等锂盐和钴化合物或镍化合物研磨混合后，进行烧结反应。此方法优点是工艺流程简单，原料易得，属于锂离子电池发展初期被广泛研究开发生产的方法，国外技术较成熟；缺点是所制得正极材料电容量有限，原料混合均匀性差，制备材料的性能稳定性不好，批次与批次之间质量一致性差。

络合物法

络合物法用有机络合物先制备含锂离子和钴或钒离子的络合物前驱体，再烧结制备。该方法的优点是分子规模混合，材料均匀性和性能稳定性好，正极材料电容量比固相法高，国外已试验用作锂离子电池的工业化方法，技术并未成熟，国内目前还鲜有报道。

溶胶凝胶法

利用上世纪70年代发展起来的制备超微粒子的方法，制备正极材料，该方法具备了络合物法的优点，而且制备出的电极材料电容量有较大的提高，属于正在国内外迅速发展的一种方法。缺点是成本较高，技术还属于开发阶段。

离子交换法

离子交换法制备的LiMnO2，获得了可逆放电容量达270mAh/g高值，此方法成为研究的新热点，它具有所制电极性能稳定，电容量高的特点。但过程涉及溶液重结晶蒸发等费能费时步骤，距离实用化还有相当距离。

锂电正极材料布局企业