迄今研究最多的正极材料是LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4 及以上三种材料的衍生物,如LiNi0.8Co0.2O2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 等。
LiCoO2 是唯一大规模商品化的正极材料,目前90%以上的商品化锂离子电池采用LiCoO2 作为正极材料。LiCoO2 的研究比较成熟,综合性能优良,但价格昂贵,容量较低,存在一定的安全性问题。
LiNiO2 成本较低,容量较高,但制备困难,材料性能的一致性和重现性差,存在较为严重的安全问题。LiNi0.8Co0.2O2 可看成LiNiO2 和LiCoO2的固溶体,兼有LiNiO2 和LiCoO2 的优点,一度被人们认为是最有可能取代LiCoO2 的新型正极材料,但仍存在合成条件较为苛刻(需要氧气气氛)、安全性较差等缺点,综合性能有待改进;同时由于含较多昂贵的Co,成本也较高。
尖晶石LiMn2O4 成本低,安全性好,但循环性能尤其是高温循环性能差,在电解液中有一定的溶解性,储存性能差。
新型的三元复合氧化物镍钴锰酸锂(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)材料集中了LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4等材料的各自优点:成本与LiNi0.8Co0.2O2 相当,可逆容量大,结构稳定,安全性较好,介于LiNi0.8Co0.2O2 和LiMn2O4 之间,循环性能好,合成容易;但由于含较多昂贵的Co,成本也较高。对中大容量、中高功率的锂离子电池来说,正极材料的成本、高温性能、安全性十分重要。
上述LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4 及其衍生物正极材料尚不能满足要求。因此,研究开发能用于中大容量、中高功率的锂离子电池的新型正极材料成为当前的热点。
正交橄榄石结构的LiFePO4 正极材料已逐渐成为国内外新的研究热点。初步研究表明,该新型正极材料集中了LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4 及其衍生物正极材料的各自优点:不含贵重元素,原料廉价,资源极大丰富;工作电压适中(3.4V);平台特性好,电压极平稳(可与稳压电源媲美);理论容量大(170mAh/g);结构稳定,安全性能极佳(O 与P 以强共价键牢固结合,使材料很难析氧分解);高温性能和热稳定性明显优于已知的其它正极材料;循环性能好;充电时体积缩小,与碳负极材料配合时的体积效应好;与大多数电解液系统兼容性好,储存性能好;无毒,为真正的绿色材料。
与LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4 及其衍生物正极材料相比,LiFePO4 正极材料在成本、高温性能、安全性方面具有突出的优势,可望成为中大容量、中高功率锂离子电池首选的正极材料。
该材料的产业化和普及应用对降低锂离子电池成本,提高电池安全性,扩大锂离子电池产业,促进锂离子电池大型化、高功率化具有十分重大的意义,将使锂离子电池在中大容量UPS、中大型储能电池、电动工具、电动汽车中的应用成为现实。