中國粉體網(wǎng)訊 鋰電池主要由正極、負(fù)極、隔膜、電解質(zhì)、粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑、極耳及封裝材料等組成，按照材料形態(tài)分類，正極、負(fù)極、粘結(jié)劑及導(dǎo)電劑為粉體材料，部分固態(tài)電解質(zhì)是粉體材料，一些改性隔膜也含有粉體材料。
正極
已經(jīng)商業(yè)化的正極材料有鈷酸鋰(LiCoO2)、錳酸鋰(LiMn2O4)、三元正極材料(LiNixMnyCozO2)和磷酸鐵鋰(LiFePO4)等。
鈷酸鋰(LiCoO2)：在常溫下為黑色固體，是一種無機化合物，具有性能穩(wěn)定、合成簡單方便、高的電化學(xué)性能和循環(huán)壽命等特性,是鋰離子電池比較理想的，首個成功商業(yè)化的鋰離子電池正極材料，目前主要用于3C電池領(lǐng)域。
錳酸鋰(LiMn2O4)：黑灰色粉末，應(yīng)用于鋰電池時具有立方尖晶石晶體結(jié)構(gòu)，含有三個鋰離子空間傳輸通道。因此，與其他正極材料相比，錳酸鋰正極材料具有更高的離子擴散速率，適合需要高倍率充電的鋰離子電池。
三元正極材料(LiNixMnyCozO2)：指的是鎳鈷錳三元正極材料，即在LiCoO2基礎(chǔ)上，用Ni和Mn取代部分Co而得到的一種新材料。它既繼承了LiCoO2的穩(wěn)定性，又繼承了LiNiO2的高可逆容量，還繼承了LiMnO2高安全性等優(yōu)點。相較于鈷酸鋰，三元材料中Co的成分降低，使得成本降低。這些優(yōu)勢使三元材料成為目前最具有廣闊發(fā)展前景的新型鋰離子電池正極材料之一。
磷酸鐵鋰(LiFePO4)：具有橄欖石型結(jié)構(gòu)，不含有鈷、鎳等貴重元素，原料價格較低，且磷、鐵、鋰在地殼中資源豐富，可以滿足年產(chǎn)百萬噸級以上的市場需求。作為正極材料，LiFePO4工作電壓適中（3.2V）、比容量高（170mA·h/g）,放電功率大，可快速充電，且循環(huán)壽命長，在高溫與高熱環(huán)境下的穩(wěn)定性要好。
負(fù)極
目前負(fù)極材料有石墨材料、硬碳材料、軟碳材料、鈦酸鋰、硅基材料等，其中石墨負(fù)極材料應(yīng)用最多，硅基負(fù)極材料前景最廣。
石墨負(fù)極材料：主要由石墨構(gòu)成，具有較高的導(dǎo)電性、較高的能量密度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和較低的制造成本等特點，分為天然石墨和人造石墨兩種。湖南大學(xué)劉洪波教授在接受粉體網(wǎng)采訪時表示，未來10年，石墨負(fù)極材料仍將是市場主流。
硬碳材料：硬碳是經(jīng)高溫處理后不會石墨化的碳，其內(nèi)部晶體排列無序、層間距大，這使得硬碳負(fù)極在同等體積下可以儲存更多的電荷，提高了電池的能量密度和續(xù)航能力。
軟碳材料：軟碳通常是指在2500℃以上容易石墨化的碳，其有序度較高，有低而平穩(wěn)的充放電電位平臺，具備充放電容量大且效率高、循環(huán)性能好的優(yōu)點。其微觀結(jié)構(gòu)由燒結(jié)溫度決定，在低于1000℃下制備的軟碳材料具有大量缺陷，提供了大量的儲鋰活性位點，有利于鋰離子在其中順利脫嵌。
鈦酸鋰：呈白色粉末狀，具有較高鋰離子脫嵌電位(1.55V vs Li/Li+)，作為電極材料使用時具有較高安全性；另外，該材料為“零應(yīng)變”電極材料，鋰離子在其中嵌入和脫出過程中，材料的結(jié)構(gòu)幾乎不發(fā)生變化，理論上有無限長的循環(huán)壽命。因此，其作為儲能和動力鋰電池負(fù)極材料有著很大的研究價值和商業(yè)應(yīng)用前景。
硅基材料：主要分為納米硅和氧化亞硅，對應(yīng)硅基負(fù)極的兩條路線是硅碳負(fù)極和硅氧負(fù)極。硅基負(fù)極具有非常高的比容量和比能量密度，理論上，硅材料的比容量是碳材料的10倍以上，比能量密度也高出5倍左右，因此硅基負(fù)極被認(rèn)為是最具潛力的下一代鋰電池負(fù)極材料。
黏結(jié)劑
黏結(jié)劑有聚偏氟乙烯(PVDF)和丁苯橡膠(SBR)等，其中PVDF可用于正極和負(fù)極，SBR通常用于負(fù)極。
聚偏氟乙烯(PVDF)：PVDF具有極佳的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性，可有效抵抗鋰電池中極性有機溶劑電解液的侵蝕，且具有較好的粘結(jié)性能、優(yōu)良的機械性能和加工性；此外，PVDF還有足夠的柔韌性，保證活性物質(zhì)在反復(fù)膨脹和收縮過程中不脫落，電極微粒間的結(jié)合不被破壞，因此PVDF在鋰電池正極粘結(jié)劑中被廣泛使用，目前占比可達(dá)90%。
丁苯橡膠(SBR)：SBR是一種應(yīng)用廣泛的水性粘結(jié)劑，尤其在鋰電負(fù)極粘結(jié)劑中，其應(yīng)用占比高達(dá)98%。這種粘結(jié)劑具有優(yōu)秀的粘結(jié)強度、良好的機械穩(wěn)定性和可操作性。作為關(guān)鍵電芯材料之一，SBR的主要作用是提供負(fù)極活性物質(zhì)顆粒之間，以及活性物質(zhì)層與集流體之間的粘結(jié)力。同時，它還能提升電池的動力學(xué)性能，降低阻抗并提供優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
導(dǎo)電劑
導(dǎo)電劑在鋰電池中是一種為了保證電極具有良好充放電性能的試劑，在活性物質(zhì)之間、活性物質(zhì)與集流體之間收集微電流，之后將微電流匯集在集流體如鋁箔、銅箔上形成大電流，最終向用電器輸送。導(dǎo)電劑的加入能通過這種方式減小電極的接觸電阻，加快電子移動速率和鋰離子在電極材料中的遷移速率，提高電子電導(dǎo)率，從而提高電極的充放電效率。常用的導(dǎo)電劑有炭黑、氣相生長碳纖維(VGCF)和碳納米管(CNT)等。
炭黑：一種無定形碳，呈輕、松而極細(xì)的黑色粉末狀，主要采用有機物（天然氣、重油等）不完全燃燒或受熱分解而得到，并通過高溫處理以提高其導(dǎo)電性與純度。炭黑是目前使用最為廣泛的鋰電池導(dǎo)電劑，炭黑顆粒的高比表面積、堆積緊密有利于顆粒之間緊密接觸在一起，組成了電極中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。通過覆蓋活性物質(zhì)粒子，在間隙內(nèi)添加導(dǎo)電炭黑，正負(fù)極之間的嵌入和脫嵌活動大大提高。
氣相生長碳纖維(VGCF)：VGCF具備較高的彎曲模量和低熱膨脹系數(shù)，所以添加此類導(dǎo)電劑的極片通常有較好的柔韌性和機械穩(wěn)定性，適合用于需要長壽命、高輸出的汽車用鋰電池。
碳納米管(CNT)：CNT的阻抗僅為炭黑的一半，低阻抗帶來了良好的導(dǎo)電性，改善極化現(xiàn)象，使循環(huán)性能更好；炭黑的添加量約為正極材料重量的3%，而CNT的添加量只有0.8%~1.5%，低添加量可為活性材料節(jié)約空間，從而提高能量密度。但CNT不易分散，目前工業(yè)上一般采用高速剪切、添加分散劑、超細(xì)磨珠靜電分散等工藝來處理。
固態(tài)電解質(zhì)
常見的粉體形式的固態(tài)電解質(zhì)：
高純二硫化鍺粉末(GeS2)：白色粉末狀，具有高離子導(dǎo)電性、高化學(xué)穩(wěn)定性和長壽命等優(yōu)點，具有極高的純度，可以達(dá)到99.99%或甚至99.999%的純度。
鋰鑭鋯氧氧化物（LLZO）：具有優(yōu)異的離子電導(dǎo)率，可達(dá)1.5x10-4S/cm，可用于固態(tài)鋰電池的制備。這種材料可以通過溶膠凝膠方法、濕化學(xué)法（如低溫燃燒合成法、微乳液法、注凝成型技術(shù)等）制備。
鋰鑭鋯鉭氧氧化物（LLZTO）：具有高離子導(dǎo)電性、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。通過優(yōu)化制備工藝和晶體結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高其電學(xué)性能，從而滿足高性能固態(tài)電池的需求。
此外，還有其他固態(tài)電解質(zhì)粉末，如硫酸鋇、鋰磷硫氯高穩(wěn)定性硫化物固態(tài)電解質(zhì)、鋰鍺磷硫硫化物固態(tài)電解質(zhì)等。
隔膜
因為傳統(tǒng)的隔膜在高溫下的穩(wěn)定性較差，嚴(yán)重影響電池的安全性，很難滿足大功率系統(tǒng)的要求。所以，有了通過添加粉體涂層的方式對隔膜進(jìn)行改性，因此，這些改性隔膜也是含有粉體材料的。
氧化鋁（Al2O3）：氧化鋁在自然界中含量豐富，具有優(yōu)異的化學(xué)惰性、熱穩(wěn)定性和機械性能。它在工業(yè)上已被用作為第一代陶瓷隔膜材料，以改善聚烯烴隔膜的綜合性能，同時它也是鋰電池隔膜改性中使用量較大的無機粉體。
勃姆石（AlOOH）：勃姆石又稱一水合氧化鋁，是一類帶有結(jié)晶水的氧化鋁，是一種不可替代的氧化鋁前驅(qū)體。AlOOH的生產(chǎn)較ɑ-Al2O3更容易，工業(yè)上通過三水鋁石水熱法獲得勃姆石漿料，再經(jīng)過濾、干燥和粉碎分級獲得AlOOH超細(xì)粉體。
二氧化鈦（TiO2）：具有無毒、性能穩(wěn)定、易于控制制備的優(yōu)點，能夠提高隔膜的熱穩(wěn)定性和電解液潤濕性，并可以吸收一些雜質(zhì)電解質(zhì)，有助于降低隔膜和電極之間的界面阻抗。同時，TiO2與電解液之間有較好的相容性，可促進(jìn)鋰離子的運輸，提高隔膜的離子電導(dǎo)率，是比較理想的有機高分子隔膜改性材料。此外，在隔膜中引入TiO2可以減少粒子間應(yīng)力，提高電池內(nèi)部的穩(wěn)定性。
二氧化硅（SiO2）：SiO2是常見熱穩(wěn)定性無機粉體填料，廣泛應(yīng)用于聚合物的填充和改性。由于其比表面積大且易產(chǎn)生大量的硅羥基（Si-OH），在改善隔膜親水性的同時可提高隔膜的電解液浸潤性，進(jìn)而改善鋰離子傳輸性能，提高電池的電化學(xué)性能。同時SiO2顆粒可作為無機材料增強隔膜的機械強度，能避免負(fù)極鋰枝晶的繼續(xù)生長和穿刺，從而避免電池發(fā)生熱短路。與Al2O3、AlOOH和TiO2相比，SiO2微觀形貌更易調(diào)控，SiO2納米球、SiO2亞微米球、SiO2納米包覆易獲得和實現(xiàn)。
參考來源：
鋰離子電池比較理想的正極材料-鈷酸鋰（LiCoO2）.中諾新材
一文了解錳酸鋰正極材料.新能源創(chuàng)新材料
一文讀懂鋰離子電池三元正極材料！.材料PLUS
鋰電池正極材料磷酸鐵鋰制備工藝簡述.北方深藍(lán)AlbertLee
尖晶石型鈦酸鋰負(fù)極材料的研究現(xiàn)狀.合成化學(xué)
鋰電粘結(jié)劑概述.佛山市瑞山集團(tuán)有限公司
陳志金等.鋰離子電池導(dǎo)電劑的研究進(jìn)展
李釗等.介孔石墨烯/炭黑復(fù)合導(dǎo)電劑在鋰離子電容器負(fù)極中的應(yīng)用
楊永鈺等.無機超細(xì)粉體改性鋰離子電池隔膜的研究進(jìn)展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/蘇簡）
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