鋰電池磷酸鐵鋰正極材料結(jié)構(gòu)和發(fā)展現(xiàn)狀

來源：存能電氣  日期：2019-08-15 15:17  瀏覽量：次

　　鋰電池磷酸鐵鋰正極材料結(jié)構(gòu)和發(fā)展現(xiàn)狀。隨著能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)的出現(xiàn)，鋰離子動(dòng)力電池成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。磷酸鐵鋰因其具有較高的理論容量、循環(huán)性能優(yōu)良、安全性高、成本低廉和環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。本文存能小編將來分析鋰電池磷酸鐵鋰正極材料結(jié)構(gòu)和發(fā)展現(xiàn)狀。

　　鋰電池磷酸鐵鋰正極材料結(jié)構(gòu)

　　正極材料主要包括LCO，尖晶石LMO，橄欖石LFP等晶體結(jié)構(gòu)。大多數(shù)正極材料研究集中在過渡金屬氧化物和聚陰離子化合物上，因?yàn)樗鼈兙哂休^高的電壓和較高的容量。

　　磷酸鐵鋰電池正極材料具有正交的橄欖石結(jié)構(gòu)，pnma空間群。LiFePO4結(jié)構(gòu)在c軸方向上是鏈?zhǔn)降模?個(gè)PO4四面體與1個(gè)FeO6八面體、2個(gè)LiO6八面體共邊，由此形成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

　　從結(jié)構(gòu)上看，PO4四面體位于FeO6層之間，這在一定程度上阻礙了鋰離子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。此外，共頂點(diǎn)的FeO6八面體具有相對較低的電子傳導(dǎo)率。這使得磷酸鐵鋰只能在小的放電倍率下充放電，而在大倍率放電條件下，內(nèi)部的鋰離子來不及遷出，電化學(xué)極化就會(huì)很大。

　　磷酸鐵鋰電池正極材料的現(xiàn)狀

　　目前已大規(guī)模市場化應(yīng)用的主要包括磷酸鐵鋰、錳酸鋰和三元材料的鎳鈷錳酸鋰和鎳鈷鋁酸鋰三種類型。其中，磷酸鐵鋰和錳酸鋰材料在基礎(chǔ)研究方面已沒有太大技術(shù)突破空間，其能量密度和主要技術(shù)指標(biāo)已接近應(yīng)用極限。從技術(shù)進(jìn)步的角度看，三元材料由于具有高能量密度、較長循環(huán)壽命、較高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為動(dòng)力鋰電正極材料的主流。

　　2016年全球鋰電池出貨量達(dá)到118GWh，其中動(dòng)力鋰電池的出貨量由2011年的1.08GWh上升至2016年的40.52GWh，市場占比由2.32%上升至34.30%。

　　2017年，全球鋰離子電池的出貨量達(dá)到143.5Gwh，其中汽車動(dòng)力鋰電池的出貨量達(dá)到58.1Gwh，儲(chǔ)能鋰電池出貨量達(dá)到11.0Gwh，其他傳統(tǒng)領(lǐng)域鋰電池出貨量達(dá)到74.4Gwh。

　　受鋰電池及其下游行業(yè)快速發(fā)展的驅(qū)動(dòng)，磷酸鐵鋰電池正極材料增長較為迅猛，2016年全球鋰離子電池正極材料銷量達(dá)到31.74萬噸，同比增長42.1%，2011-2016年年均復(fù)合增長率為32.17%。從應(yīng)用結(jié)構(gòu)看，鋰電正極材料市場可以細(xì)分為小型鋰電正極材料市場和動(dòng)力鋰電正極材料市場。小型鋰電正極材料主要包括鈷酸鋰、三元材料和錳酸鋰，而動(dòng)力鋰電正極材料主要為錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料。

　　目前為止，磷酸鐵鋰電池正極材料已經(jīng)占據(jù)了鋰離子電池正極市場份額的8%，而且近幾年隨著國內(nèi)幾大正極材料生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)能擴(kuò)大，磷酸鐵鋰的市場增速加快，相信不久磷酸鐵鋰的市場份額將會(huì)越來越大，因?yàn)楦鶕?jù)前面分析，鈷酸鋰的市場最終會(huì)被其他三種材料所吞噬，在以后的正極材料市場上將會(huì)出現(xiàn)磷酸鐵鋰、錳酸鋰和三元材料三足鼎立的局面，磷酸鐵鋰市場也會(huì)伴隨著電動(dòng)車行業(yè)的興起大放異彩。

　　阻礙磷酸鐵鋰發(fā)展的問題

　　雖然磷酸鐵鋰擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是也存在不容忽視的根本性缺陷，小編歸結(jié)起來的幾點(diǎn)關(guān)于磷酸鐵鋰存在的相關(guān)問題再次重申，以正視聽。

　　1、在磷酸鐵鋰制備時(shí)的燒結(jié)過程中，氧化鐵在高溫還原性氣氛下存在被還原成單質(zhì)鐵的可能性。單質(zhì)鐵會(huì)引起電池的微短路，是電池中最忌諱的物質(zhì)。這也是日本一直不將該材料作為動(dòng)力型鋰離子電池正極材料的主要原因。

　　2、磷酸鐵鋰電池存在一些性能上的缺陷，如振實(shí)密度與壓實(shí)密度很低，導(dǎo)致鋰離子電池的能量密度較低。低溫性能較差，即使將其納米化和碳包覆也沒有解決這一問題。

　　3、材料的制備成本與電池的制造成本較高，電池成品率低，一致性差。磷酸鐵鋰的納米化和碳包覆盡管提高了材料的電化學(xué)性能，但是也帶來了其它問題，如能量密度的降低、合成成本的提高、電極加工性能不良以及對環(huán)境要求苛刻等問題。

　　4、知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題。目前磷酸鐵鋰的基礎(chǔ)專利被美國德州大學(xué)所有，而碳包覆專利被加拿大人所申請。這兩個(gè)基礎(chǔ)性專利是無法繞過去的，如果成本中計(jì)算上專利使用費(fèi)的話，那產(chǎn)品成本將會(huì)進(jìn)一步提高，這對國內(nèi)的企業(yè)將是致命的。

　　短期來看，中國企業(yè)在中國國內(nèi)研發(fā)、生產(chǎn)磷酸鐵鋰正極材料的風(fēng)險(xiǎn)不是很大，但未來要走向世界市場必將面臨嚴(yán)峻的專利考驗(yàn)。

　　中國正極材料行業(yè)在全球鋰電發(fā)展過程中備受關(guān)注，一方面是部分中國鋰電正極材料生產(chǎn)商在過去數(shù)年與國際鋰電廠商磨合過程中技術(shù)水平不斷提升，已逐漸接近國際正極材料同行，中國動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展已經(jīng)具備了國產(chǎn)化動(dòng)力電池材的支持；另一方面中國新能源汽車及動(dòng)力磷酸鐵鋰電池發(fā)展獲得了舉世矚目的成就，一旦市場需求增大，必將進(jìn)一步推動(dòng)中國磷酸鐵鋰電池正極材料產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展。