不同正極材料比較

正極材料直接決定了電池的能量密度、功率、循環(huán)次數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)電池成本的影響

也最顯著。鋰電池正極材料技術(shù)以提升安全性、增加電池蓄電量級(jí)、降低成本為三大發(fā)展主

軸。繼鋰鈷之后，陸續(xù)有鋰錳、鋰鎳、鋰鎳鈷基磷酸鐵鋰等正極材料出現(xiàn)。

鈷酸鋰是目前最成熟的，唯一商品化的鋰離子電池正極材料，主要應(yīng)用于手機(jī)、筆記本

電腦、數(shù)碼相機(jī)等便攜式數(shù)碼產(chǎn)品以及電動(dòng)玩具等。

?  優(yōu)點(diǎn)：材料的加工性能很好，密度高，比容量相對(duì)較高，材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，循環(huán)性

能好，材料的電壓平臺(tái)較高且比較穩(wěn)定。

?  缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴、容量幾乎發(fā)揮到了極限、資源緊缺、安全性差。

?  未來方向：在傳統(tǒng)鋰離子電池領(lǐng)域，將逐漸被鎳鈷鋰和鎳鈷錳鋰三元材料代替。

錳酸鋰是除鈷酸鋰外研究最早的正極材料，適合于電動(dòng)工具、礦燈電池和手機(jī)電池等對(duì)

容量要求不高的領(lǐng)域。

?  優(yōu)點(diǎn)：安全性較高，尤其是高溫下的穩(wěn)定性較好。電解錳目前價(jià)格僅1.8 萬元，具

有明顯成本優(yōu)勢(shì)。沒有專利制約。

?  缺點(diǎn)：比容量較低，高溫循環(huán)性能目前還沒有得到較好的解決，壽命短。

?  未來方向：小型鋰電池市場(chǎng)，日本研發(fā)的高端錳酸鋰材料可用于動(dòng)力電池。

鎳鈷錳三元材料同樣也是非常有前途的正極材料，有望在小型鋰電池領(lǐng)域替代鈷酸鋰。

?  優(yōu)點(diǎn)：高容量的正極材料，比容量可以達(dá)到180mAh/g 以上，安全性較好，成本低，

與電解液的相容性好，循環(huán)性能優(yōu)異。

?  缺點(diǎn)：合成困難、合成條件苛刻、合成材料的穩(wěn)定性差；電壓平臺(tái)相對(duì)較低，只有

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3.55v 左右；密度相對(duì)較低；充電電壓較高，達(dá)到了4.5v 左右。

?  未來方向：主要是小型鋰離子電池市場(chǎng)，也有望進(jìn)入動(dòng)力電池市場(chǎng)。

鋰鎳及 鋰鎳鈷電池雖然提升了電容量，但無法全然解決安全性問題。

磷酸鐵鋰電池具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如高溫特性佳、循環(huán)壽命長及材料成本低等，且磷酸鐵

鋰電池的安全性更為目前正極材料中的最佳。但該材料仍有體積能力密度較低及材料導(dǎo)電性

差等缺點(diǎn)。

?  高安全性和熱穩(wěn)定性是磷酸鐵鋰的突出優(yōu)點(diǎn)。在針刺和擠壓實(shí)驗(yàn)中，磷酸鐵鋰電池

不發(fā)熱、不冒煙、不起火。在過充實(shí)驗(yàn)中，將電池過充到4.5V，過放至0V，電池循

環(huán)100 次，外觀無任何異常，容量保持率達(dá)到84%，表現(xiàn)堪稱優(yōu)異。對(duì)于動(dòng)力電池

領(lǐng)域，安全性是首要考慮的因素。正是憑借磷酸鐵鋰在安全性方面的優(yōu)勢(shì)，基本確

立了其現(xiàn)階段汽車動(dòng)力鋰電池的正極材料首選的地位。

?  磷酸鐵鋰的主要缺點(diǎn)是壓實(shí)密度低，體積比容量低，電導(dǎo)率低，低溫放電性能差，

倍率放電差等問題。其中，振實(shí)密度和體積比容量低對(duì)動(dòng)力電池來說，問題并不嚴(yán)

重。目前，磷酸鐵鋰已經(jīng)成為我國動(dòng)力鋰電池行業(yè)的主流選擇，比亞迪的電動(dòng)汽車

正是采用這種材料。另外，兩大核心技術(shù)專利包敷碳、碳熱還原無法回避。

安全性差和過高的成本，限制了鈷酸鋰在動(dòng)力電池領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。傳統(tǒng)電池領(lǐng)域，

鈷酸鋰也面臨成本更低的三元材料和錳酸鋰的挑戰(zhàn)。由于鈷酸鋰工藝成熟，基數(shù)較大，因此

未來數(shù)年內(nèi)仍將占有正極材料大部分市場(chǎng)份額。根據(jù)IIT 報(bào)告的預(yù)測(cè)，到2012 年，全球?qū)?/p>

正極材料的需求量約為7.67 萬噸，其中鈷酸鋰需求量約3 萬噸，占比約40%，仍舊是第一大

消費(fèi)品種。2009 年到2012年，鈷酸鋰復(fù)合增長率9.32%，多元材料復(fù)合增長率37.05%，錳酸

鋰復(fù)合增長率79.56%，磷酸鐵鋰復(fù)合增長率114.72%。磷酸鐵鋰和錳酸鋰的增速明顯高于其

它產(chǎn)品，主要得益于其在動(dòng)力電池中的應(yīng)用。而根據(jù)日本株式會(huì)社的預(yù)測(cè)，未來10 年EV 動(dòng)力電池的各種正極材料體系中，錳酸鋰（LMO）所占份額在50%左右高居首位，磷酸鐵鋰（LFP）

約占20%居第二位，三元系鎳鈷錳（NCM）/鎳鈷鋁（NCA）約占15-20%。

更長遠(yuǎn)看，聚合物鋰電池可能成為鋰電池未來的發(fā)展方向。由于用固體電解質(zhì)代替了

液體電解質(zhì),與液態(tài)鋰離子電池相比，聚合物鋰離子電池具有可薄形化、任意面積化與任意

形狀化等優(yōu)點(diǎn)，也不會(huì)產(chǎn)生漏液與燃燒爆炸等安全上的問題，因此外殼材質(zhì)可以更輕，從而

可以提高整個(gè)電池的比容量。此外,聚合物鋰離子電池在工作電壓、充放電循環(huán)壽命等方面都比普通鋰離子電池有所提高。

磷酸鐵鋰正極材料

磷酸鐵鋰正極材料于1997年由美國德州大學(xué)教授Googenough申請(qǐng)獲得，專利權(quán)屬于德州

大學(xué)。德州大學(xué)又將專利權(quán)授予加拿大H&Q，H&Q又與德國磷肥大廠Sud-Chemie合資成立

Phostech，從事磷酸鐵鋰粉末生產(chǎn)。自磷酸鐵鋰電池問世以來，專利權(quán)屬即有爭議，從

Valence、NTT Docomo到A123都與Phostech有訴訟。

磷酸鐵鋰面臨的問題包括：

1、導(dǎo)電性差、鋰離子擴(kuò)散速度慢。高倍率充放電時(shí)，實(shí)際比容量低，這個(gè)問題是制約

磷酸鐵鋰產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)難點(diǎn)。磷酸鐵鋰之所以這么晚還沒有大范圍的應(yīng)用，這是一個(gè)主要

的問題。

2、振實(shí)密度較低。一般只能達(dá)到 0.8-1.3，低的振實(shí)密度可以說是磷酸鐵鋰的很大缺

點(diǎn)，這決定了它在小型電池如手機(jī)電池等沒有優(yōu)勢(shì)，所以其使用范圍受 到一定程度的限制。

即使它的成本低，安全性能好，穩(wěn)定性好，循環(huán)次數(shù)高，但如果體積太大，也只能小量的取

代鈷酸鋰。但這一缺點(diǎn)在動(dòng)力電池方面不會(huì)突出。因 此，磷酸鐵鋰主要是用來制作動(dòng)力電

池。

3、一致性問題嚴(yán)重。國內(nèi)在磷酸鐵鋰的合成方面已經(jīng)取得長足的進(jìn)步，單體磷酸鐵鋰

電池壽命目前超過 2000次，但是制作出來的電池一致性不佳，進(jìn)而影響到電池組的使用性

能和整體壽命，因此應(yīng)用在動(dòng)力汽車上存在一定障礙。與傳統(tǒng)的手機(jī)電池和筆記本電池不同，

汽車動(dòng)力電池由數(shù)百個(gè)電池單體組成，一致性較差意味著電池組的穩(wěn)定性較差，勢(shì)必影響鋰

電池組的循環(huán)壽命。一致性問題主要來源于材料的一致性問題。

4、磷酸鐵鋰電池低溫性能差。磷酸鐵鋰材料的固有特點(diǎn)，決定其低溫性能劣于錳酸鋰

等其他正極材料。一般情況下，對(duì)于單只電芯，其 0℃時(shí)的容量保持率約 60～70%，-10℃

時(shí)為 40～55%，-20℃時(shí)為 20～40%。這樣的低溫性能顯然不能滿足動(dòng)力電源的使用要求。

5、制造成本高。磷酸鐵鋰具有安全性、環(huán)保性、循環(huán)次數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)是毋庸置疑的，但

目前的制 造成本相對(duì)鉛酸電池、錳酸鋰電池要高，其主要原因是：1）材料物理性能和其他

鋰電材料相差較大，其粒度小，振實(shí)密度小，比表面積大，材料的加工性能不好， 涂敷量

低，導(dǎo)致電池成本增加；2）磷酸鐵鋰電池只有 3.2V，比其他的鋰電低 20%左右，單體電池

要多用 20%，導(dǎo)致電池組成本上升較多。

據(jù)日信證券測(cè)算，磷酸鐵鋰電池在產(chǎn)業(yè)化的初期，僅僅在混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)工具、電

動(dòng)自行車和電動(dòng)代步車這4個(gè)領(lǐng)域就擁有大約280億元的市場(chǎng)規(guī)模，其中磷酸鐵鋰占到電池成

本的40%左右，對(duì)應(yīng)112億元的市場(chǎng)規(guī)模，總需求量約為6萬噸。根據(jù)目前磷酸鐵鋰產(chǎn)業(yè)化生

產(chǎn)的領(lǐng)先企業(yè)A123的預(yù)測(cè)，到2010年，全球磷酸鐵鋰的實(shí)際需求量將達(dá)到15萬噸，供需缺口

將達(dá)到10萬噸以上。

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全球磷酸鐵鋰的供給嚴(yán)重不足。2008年全球產(chǎn)能約為1萬噸，實(shí)際產(chǎn)量只有5000噸左右，實(shí)際需求超過產(chǎn)量的10倍。由于磷酸鐵鋰能量密度較低，需要采用碳包覆等技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改

性，提高了磷酸鐵鋰的生產(chǎn)難度和成本。目前，國際上磷酸鐵鋰的生產(chǎn)商主要有美國的A123、

Valence 和加拿大的phostech 公司。據(jù)估計(jì)，A123 和威能公司產(chǎn)能合計(jì)約1000 噸，

phostech 公司產(chǎn)能約750 噸。由于A123 和威能的磷酸鐵鋰全部自用，不對(duì)外銷售原料，因

此國內(nèi)磷酸鐵鋰的供應(yīng)主要靠phostech、天津斯特蘭公司和北大先行等極少數(shù)幾家。

phostech、天津斯特蘭產(chǎn)能均為500 噸，北大先行宣稱產(chǎn)能2000噸，實(shí)際產(chǎn)量大大低于產(chǎn)能。

合成難度大，產(chǎn)品供不應(yīng)求，導(dǎo)致全球磷酸鐵鋰價(jià)格居高不下。磷酸鐵鋰目前國內(nèi)廠家

的產(chǎn)品一般在15-18 萬/噸，美國A123系統(tǒng)公司和Valence 公司報(bào)價(jià)在20-30 萬/噸。目前，

由于磷酸鐵鋰尚處于市場(chǎng)導(dǎo)入期，前期研發(fā)和市場(chǎng)開拓費(fèi)用較高，行業(yè)內(nèi)公司，無論是國際

巨頭如A123 和valence還是國內(nèi)企業(yè)如天津斯特蘭和北大先行，普遍虧損。此文是八年前鋰電池壓力化成夾具相關(guān)企業(yè)文獻(xiàn)，今年看到此文不錯(cuò)，特此推薦，也歡迎東莞市華合贏電子科技有限公司的鋰電同仁交流學(xué)習(xí)。