中國(guó)粉體網(wǎng)訊 為了滿足純電動(dòng)汽車(chē)長(zhǎng)續(xù)航里程的要求，預(yù)計(jì)2025年，電池單體能量密度需要達(dá)到350 Wh/kg，而鋰離子電池的能量密度又主要取決于正極材料的能量密度，因此，近年來(lái)正極材料不斷向更高能量密度方向發(fā)展。
傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池怕和電解液溶解發(fā)生反應(yīng)而不敢使用高電壓的正極材料，導(dǎo)致動(dòng)力電池一直在磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池中選擇，對(duì)于磷酸鐵鋰，磷酸鐵鋰材料理論比容量（170mAh/g）有限制，而高鎳三元材料中的鎳也接近了極限含量，二者電池單元能量密度的提高空間已經(jīng)越來(lái)越小。
固態(tài)電池對(duì)能量密度要求高，正極向高鎳、無(wú)鈷和富鋰等方向發(fā)展。富鋰錳基正極材料在2V-4.8V電壓平臺(tái)基礎(chǔ)上的比容量可超300mA·h/g，是目前所用正極材料實(shí)際容量的兩倍左右，有望成為未來(lái)固態(tài)電池的最優(yōu)選擇。
商用正極材料和富鋰錳基正極材料的能量密度對(duì)比
富鋰錳基高能量密度的原因
富鋰錳基正極材料是由Li2MnO3與LiMO2(M=鎳鈷錳)兩種組分構(gòu)成的層狀氧化物，其高容量的形成原因是源于兩種機(jī)理共同作用：過(guò)渡金屬的氧化還原反應(yīng)和氧離子的氧化還原反應(yīng)。
傳統(tǒng)三元正極材料NCM和NCA是基于過(guò)渡金屬離子的氧化還原反應(yīng)貢獻(xiàn)容量，在嵌鋰過(guò)程中Ni2+/Ni3+/Ni4+和Co3+/Co4+會(huì)被氧化，而 Mn4+是非活性的，其可逆容量為130～220mAh/g。富鋰錳基材料在2～4.8V電壓范圍內(nèi)可逆容量可達(dá)300mAh/g以上，遠(yuǎn)高于基于Ni2+/Ni3+/Ni4+和Co3+/Co4+的氧化還原反應(yīng)機(jī)理的理論值。
這是因?yàn)槿绻麑iMO2(M=鎳鈷錳)的首次充電曲線分為三個(gè)階段，除了在小于4.5 V時(shí)，Li+從活化的LiMeO2(Me為過(guò)渡金屬元素)中脫出，伴隨著Ni2+/Ni3+/Ni4+和Co3+/Co4+的氧化反應(yīng)貢獻(xiàn)容量，實(shí)際容量(約120 mAh/g)和源于過(guò)渡金屬離子氧化的理論容量(約122 mAh/g)基本一致。
額外的充電容量來(lái)自在4.5 V左右時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)充電長(zhǎng)平臺(tái)，在這一階段，Li+從活化的Li2MnO3中脫出，氧離子發(fā)生氧化反應(yīng)維持電荷守恒。在大于4.5 V時(shí)，電壓沿傾斜曲線繼續(xù)升高，Li+仍從活化的Li2MnO3脫出，伴隨著氧離子被氧化為O2逸出。
LiMO2(M=鎳鈷錳)的充放電曲線
富鋰錳基材料的缺陷
但富鋰錳基材料從被發(fā)現(xiàn)至今已有將近30年的時(shí)間，卻始終沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正商業(yè)化應(yīng)用。主要原因有以下幾點(diǎn)：
①循環(huán)過(guò)程中，Mn3+遷移進(jìn)入鋰空位，使層狀結(jié)構(gòu)向尖晶石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致平均放電電壓持續(xù)降低，造成能量損失嚴(yán)重且給電池管理帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)；
②Li2MnO3低的電子電導(dǎo)率使LMR材料具有差的倍率性能；
③LMR材料的密度較低，造成材料的體積能量密度較低；
④LMR材料需要在高電壓下(>4.55 V)才能發(fā)揮高容量，但高電壓下電解液容易氧化分解，同時(shí)伴隨著晶格氧被氧化為O2逸出。
富鋰錳基材料的改性研究
研究者通過(guò)如體相摻雜、表面包覆、液相后處理、氣相后處理和新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和構(gòu)筑等一系列方法對(duì)富鋰錳基材料進(jìn)行改性研究。
1.元素?fù)诫s
元素?fù)诫s可以提高材料晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)與O的結(jié)合能，減少氧流失，提高離子或電子導(dǎo)電率，進(jìn)而改善材料的循環(huán)和倍率性能。
研究發(fā)現(xiàn)，元素?fù)诫s可穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)，抑制陽(yáng)離子遷移及層狀結(jié)構(gòu)向尖晶石結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，減小材料的循環(huán)電壓降，并提升容量和循環(huán)性能。鋰位低價(jià)元素Na+、K+的摻雜，起到柱撐結(jié)構(gòu)、使鋰層層間距增大，促進(jìn)Li+的脫嵌。鋰位高價(jià)元素Ti4+、Nb5+的摻雜，可以增強(qiáng)Me—O鍵，抑制層狀結(jié)構(gòu)向尖晶石相的轉(zhuǎn)變；過(guò)渡金屬位陽(yáng)離子摻雜，可以增強(qiáng)摻雜元素和氧的鍵能，減少氧流失，穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)；氧位F摻雜，可以減小晶格氧流失，降低材料內(nèi)阻。
2.表面后處理
由于LMR材料在大于4.5 V充電過(guò)程中，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的氧流失現(xiàn)象，使材料從層狀結(jié)構(gòu)向尖晶石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，造成嚴(yán)重的電壓降，這也是制約LMR材料廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。研究者發(fā)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行表面后處理，如液相處理、氣相處理，可以在材料表面形成穩(wěn)定的尖晶石相或使表面氧失活，抑制循環(huán)過(guò)程中的電壓降。
3.新型特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)性能具有決定性的作用，常規(guī)的摻雜、包覆和后處理改性對(duì)材料性能的提升具有明顯的改善作用，但達(dá)不到實(shí)用，因此有必要采用多種改性 方法相結(jié)合的方式以及開(kāi)發(fā)新型的結(jié)構(gòu)(如單晶結(jié)構(gòu)、復(fù)合結(jié)構(gòu)、組成調(diào)控和梯度結(jié)構(gòu)等)解決富鋰錳基材料所面臨的問(wèn)題。
除了在正極部分，通過(guò)摻雜、包覆、修飾和路徑優(yōu)化等方案外，固態(tài)電解質(zhì)也能夠明顯減少正極與電解質(zhì)之間的活性接觸，起到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用。同時(shí)，固態(tài)電解質(zhì)也能夠適配更高工作電壓的富鋰錳基電池，發(fā)揮其最大的性能潛力。
富鋰錳基材料具有容量更大、成本更低、安全性更高等優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)吸引了包括寧夏漢堯、寧波富理、當(dāng)升科技、容百科技、廣東聚圣等多家公司進(jìn)行研發(fā)制備。相信未來(lái)隨著固態(tài)電池的落地，富鋰錳基電池也會(huì)擠占目前動(dòng)力電池的布局。
參考來(lái)源：
1.王俊等 《高容量富鋰錳基正極材料的研究進(jìn)展》
2.中郵證券 《固態(tài)電池行業(yè)研究：產(chǎn)業(yè)化按下加速鍵，技術(shù)突破進(jìn)行時(shí)》
3.路咖汽車(chē) 《超越刀片電池和麒麟電池？富錳鋰基補(bǔ)齊固態(tài)電池最大短板》
4.第一財(cái)經(jīng) 《誰(shuí)在搶占鋰電制高點(diǎn)——?jiǎng)恿﹄姵貏?chuàng)新材料全景報(bào)告》
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/喬木）
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