全球锂离子电池正极材料产业发展情况探析

全球锂离子电池 正极材料产业发展情况探析

任万里

天津巴莫科技有限责任公司 天津市 300380

摘要

锂离子电池的商业应用始于20世纪90年代，经过近30年的发展，锂离子电池已经成为目前综合性能最好的可充电电池。锂离子电池主要由正极、负极、隔膜和电解液构成。其中正极材料约占总成本的40%，且正极材料的性能直接影响了锂离子电池各项性能，因此正极材料在锂离子电池中占据着重要地位。已市场化的锂离子电池正极材料有钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂等。

关键词：锂电池；发展趋势；正极材料

1 锂电及正极材料市场现状

锂电池由于能量密度较高，轻便，循环寿命较长等显著优势，广泛应用于手机、笔记本电脑、平板电脑、智能穿戴，无人机、电动工具等3C市场领域，近几年锂电池在电动汽车和储能领域的应用推广也取得骄人的成绩。

2 锂电正极材料技术发展趋势

2.1锂电正极材料主要种类及特征

首先得以应用的锂电正极材料是钴酸锂，它结构稳定、比容量高、综合性能突出，广泛应用于笔记本电脑、手机、MP3/4等小型电子设备中。钴酸锂安全性较差、成本高，主要用于中小型号电芯，不适合应用于车用动力大型锂电中。前期在车用动力电池应用体系上主要分为锰系和铁系。锰酸锂结构稳定，安全性较好，但是能量密度低、高温循环稳定性和存储性能较差，因此在动力电池应用上受到一定程度的限制。磷酸铁锂安全性和循环性能相对优异，受到中国动力锂电行业的偏好，但磷酸铁锂也存在诸多固有的性能问题，能量密度低、高低温性能、充放电特性均存在较大差距。三元材料能量密度高，循环性能优异。多元材料镍钴锰酸锂（NCM）和镍钴铝酸锂（NCA）随着 Ni、Co、Mn（Al）三种元素比例的变化显示出不同的性能，很大程度上综合了各种正极材料的优点，具有能量密度高、循环寿命长、倍率特性好和安全性能高等特点，是下一代车用动力锂离子电池正极材料的有力竞争者。

2.2 小型锂电正极材料发展趋势

由于智能手机和平板电脑的功能和性能要求不断发展，对于锂电材料的能量密度的追求不断上升，而钴酸锂在常规的正极材料中几乎拥有最高的能量密度，因此智能手机锂电池主要使用钴酸锂材料。随着轻薄化、智能化的要求，对能量密度的要求越来越高，使用传统的钴酸锂也已经不能满足性能要求。从技术趋势上来说，只有通过提升钴酸锂电池的工作电压来实现容量提升，钴酸锂的充电电压从 4.2V-4.35V-4.4V-4.45V, 一路攀升。此外，作为续航能力不足的有效补充方案，快速充电也成为技术发展的主要的诉求之一。可快速充电的高能量密度的 2C/720Wh/L 电池已经量产，国内品牌手机已经可以实现可在30分钟充电至 80%。

三元材料应用于圆柱18650电池，大量装载在笔记本电脑、电动工具和电动自行车上。由于随着能量密度要求的不断提升，结合三元材料的性能特点，技术发展主要趋势与钴酸锂提升工作电压的做法不同，采用调整三元材料镍含量来提升电池容量，随着技术的不断发展，逐渐实现高镍三元材料或 NCA（镍摩尔比大于80%）的成熟应用。同时，也有部分电池客户采用提升工作电压的方式提升三元材料的容量，目前较为成熟的高电压三元材料为4.35V的NCM523。

综上所述，小型锂电对正极材料提出的三大诉求为能量密度、快速充电和外形可塑，正极材料主要的技术对应方案为提升充电电压，提高三元材料镍含量。

3 锂电正极材料的发展对锂的影响

酸锂作为第一代商品化的锂电池正极材料是目前最成熟的正极材料，在短时间内，特别是在通讯电池领域还有不可取代的优势，但是其价格昂贵，容量几乎发挥到了极限，钴作为战略资源储量有限，安全性差等缺陷使其被替代的可能性很大，很难用于大容量动力电池。锰酸锂是紧随钴酸锂之后研制而成的锂电池正极材料，通过多年的研究，材料性能得到较大改善。较高的安全性，低廉的价格，使其在动力电池领域有广阔应用前景；但是其较低比容量、较差循环性能使其应用受到了较大限制，层状的锰酸锂在循环过程中会发生晶型的转变，而尖晶石锰酸锂成本虽低，但比容量和循环性能差。三元材料是有层状结构的正极材料，它具有电化学容量高、循环性能好、合成容易、成本低、安全性好等特点，近几年内逐渐替代了部分钴酸锂，同时可与锰酸锂配合，用于动力电池的生产。磷酸铁锂作为正极材料有结构稳定、安全性能好、循环寿命长、资源丰富、成本低廉等优点，但其导电性能差、一致性差、高温性能不好、产业化难度较大。锂离子动力电池是未来发展的方向，其正极材料的选择直接影响到正极材料的发展前景。

结论

锂电正极材料不管是哪一款都需要使用碳酸锂或者氢氧化锂，全球已开采的锂资源主要集中在南美的盐湖、澳大利亚锂辉石矿和中国青海、西藏的盐湖，盐湖的开采周期2-3年，并且锂资源作为战略资源备受智利、阿根廷等南美国家政府的出口和开采政策管控。2018年，由于新能源汽车需求的突然爆发，加上全球碳酸锂供应相对集中，中国的锂资源大部分依赖澳大利亚和南美进口，中国市场出现短期紧缺，再加上碳酸锂厂家行情看涨惜售，碳酸锂价格出现了飞涨，从2018年初的5万元/吨一路上涨到2020年4月的18万元/吨！并且随着新能源汽车补贴政策的重审等等因素影响，炒作因素逐渐褪去，碳酸锂价格逐渐开始下滑。碳酸锂价格2020年回落并稳定在12万元/吨左右。新能源汽车行业健康发展关系我国产业结构转型和能源发展战略，未来3~5年锂资源的需求量仍将维持快速增长，从锂资源安全角度看，必须攻克我国青海西藏的盐湖开采的技术瓶颈，降低我国锂辉石、锂云母供应的开采和制造成本，增大我国锂资源在全球碳酸锂市场占比，为中国不断扩大锂电正极材料市场保障锂原料的供应稳定。

参考文献：

[1]叶耀坤,胡宗祥,刘佳华,林伟成,陈涛文,郑家新,潘锋.锂离子电池正极材料中的极化子现象理论计算研究进展[J/OL].物理化学学报:1-14[2020-12-29].

[2]徐菲,李世友,赵冬妮,杨莉,王洁.硅烷添加剂在锂离子电池电解液中的应用[J/OL].硅酸盐学报:1-6[2020-12-29].

[3]王强,黄河,宋鹏元,何巍.隔膜对锂离子电池性能的影响[J].广东化工,2020,47(23):6-7+25.

作者简介

姓名：任万里。性别：男。民族：汉。出生年月：19910608。

单位：天津巴莫科技有限责任公司，研发部。

学历：研究生。研究方向：新能源，电池材料。