锂电池中的粉体材料 你知道几种？

锂电池主要由正极、负极、隔膜、电解质、粘结剂、导电剂、极耳及封装材料等组成，按照材料形态分类，正极、负极、粘结剂及导电剂为粉体材料，部分固态电解质是粉体材料，一些改性隔膜也含有粉体材料。

正极

已经商业化的正极材料有钴酸锂(LiCoO₂)、锰酸锂(LiMn₂O₄)、三元正极材料(LiNi_xMn_yCo_zO₂)和磷酸铁锂(LiFePO₄)等。

钴酸锂(LiCoO₂)：在常温下为黑色固体，是一种无机化合物，具有性能稳定、合成简单方便、高的电化学性能和循环寿命等特性,是锂离子电池比较理想的，首个成功商业化的锂离子电池正极材料，目前主要用于3C电池领域。

锰酸锂(LiMn₂O₄)：黑灰色粉末，应用于锂电池时具有立方尖晶石晶体结构，含有三个锂离子空间传输通道。因此，与其他正极材料相比，锰酸锂正极材料具有更高的离子扩散速率，适合需要高倍率充电的锂离子电池。

三元正极材料(LiNi_xMn_yCo_zO₂)：指的是镍钴锰三元正极材料，即在LiCoO₂基础上，用Ni和Mn取代部分Co而得到的一种新材料。它既继承了LiCoO₂的稳定性，又继承了LiNiO₂的高可逆容量，还继承了LiMnO₂高安全性等优点。相较于钴酸锂，三元材料中Co的成分降低，使得成本降低。这些优势使三元材料成为目前最具有广阔发展前景的新型锂离子电池正极材料之一。

磷酸铁锂(LiFePO₄)：具有橄榄石型结构，不含有钴、镍等贵重元素，原料价格较低，且磷、铁、锂在地壳中资源丰富，可以满足年产百万吨级以上的市场需求。作为正极材料，LiFePO₄工作电压适中（3.2V）、比容量高（170mA·h/g）,放电功率大，可快速充电，且循环寿命长，在高温与高热环境下的稳定性要好。

负极

目前负极材料有石墨材料、硬碳材料、软碳材料、钛酸锂、硅基材料等，其中石墨负极材料应用最多，硅基负极材料前景最广。

石墨负极材料：主要由石墨构成，具有较高的导电性、较高的能量密度、良好的化学稳定性和较低的制造成本等特点，分为天然石墨和人造石墨两种。湖南大学刘洪波教授在接受粉体网采访时表示，未来10年，石墨负极材料仍将是市场主流。

硬碳材料：硬碳是经高温处理后不会石墨化的碳，其内部晶体排列无序、层间距大，这使得硬碳负极在同等体积下可以储存更多的电荷，提高了电池的能量密度和续航能力。

软碳材料：软碳通常是指在2500℃以上容易石墨化的碳，其有序度较高，有低而平稳的充放电电位平台，具备充放电容量大且效率高、循环性能好的优点。其微观结构由烧结温度决定，在低于1000℃下制备的软碳材料具有大量缺陷，提供了大量的储锂活性位点，有利于锂离子在其中顺利脱嵌。

钛酸锂：呈白色粉末状，具有较高锂离子脱嵌电位(1.55V vs Li/Li⁺)，作为电极材料使用时具有较高安全性；另外，该材料为“零应变”电极材料，锂离子在其中嵌入和脱出过程中，材料的结构几乎不发生变化，理论上有无限长的循环寿命。因此，其作为储能和动力锂电池负极材料有着很大的研究价值和商业应用前景。

硅基材料：主要分为纳米硅和氧化亚硅，对应硅基负极的两条路线是硅碳负极和硅氧负极。硅基负极具有非常高的比容量和比能量密度，理论上，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，因此硅基负极被认为是最具潜力的下一代锂电池负极材料。

黏结剂

黏结剂有聚偏氟乙烯(PVDF)和丁苯橡胶(SBR)等，其中PVDF可用于正极和负极，SBR通常用于负极。

聚偏氟乙烯(PVDF)：PVDF具有极佳的化学稳定性和耐腐蚀性，可有效抵抗锂电池中极性有机溶剂电解液的侵蚀，且具有较好的粘结性能、优良的机械性能和加工性；此外，PVDF还有足够的柔韧性，保证活性物质在反复膨胀和收缩过程中不脱落，电极微粒间的结合不被破坏，因此PVDF在锂电池正极粘结剂中被广泛使用，目前占比可达90%。

丁苯橡胶(SBR)：SBR是一种应用广泛的水性粘结剂，尤其在锂电负极粘结剂中，其应用占比高达98%。这种粘结剂具有优秀的粘结强度、良好的机械稳定性和可操作性。作为关键电芯材料之一，SBR的主要作用是提供负极活性物质颗粒之间，以及活性物质层与集流体之间的粘结力。同时，它还能提升电池的动力学性能，降低阻抗并提供优异的循环稳定性。

导电剂

导电剂在锂电池中是一种为了保证电极具有良好充放电性能的试剂，在活性物质之间、活性物质与集流体之间收集微电流，之后将微电流汇集在集流体如铝箔、铜箔上形成大电流，最终向用电器输送。导电剂的加入能通过这种方式减小电极的接触电阻，加快电子移动速率和锂离子在电极材料中的迁移速率，提高电子电导率，从而提高电极的充放电效率。常用的导电剂有炭黑、气相生长碳纤维(VGCF)和碳纳米管(CNT)等。 

炭黑：一种无定形碳，呈轻、松而极细的黑色粉末状，主要采用有机物（天然气、重油等）不完全燃烧或受热分解而得到，并通过高温处理以提高其导电性与纯度。炭黑是目前使用最为广泛的锂电池导电剂，炭黑颗粒的高比表面积、堆积紧密有利于颗粒之间紧密接触在一起，组成了电极中的导电网络。通过覆盖活性物质粒子，在间隙内添加导电炭黑，正负极之间的嵌入和脱嵌活动大大提高。

气相生长碳纤维(VGCF)：VGCF具备较高的弯曲模量和低热膨胀系数，所以添加此类导电剂的极片通常有较好的柔韧性和机械稳定性，适合用于需要长寿命、高输出的汽车用锂电池。

碳纳米管(CNT)：CNT的阻抗仅为炭黑的一半，低阻抗带来了良好的导电性，改善极化现象，使循环性能更好；炭黑的添加量约为正极材料重量的3%，而CNT的添加量只有0.8%~1.5%，低添加量可为活性材料节约空间，从而提高能量密度。但CNT不易分散，目前工业上一般采用高速剪切、添加分散剂、超细磨珠静电分散等工艺来处理。

固态电解质

常见的粉体形式的固态电解质：

高纯二硫化锗粉末(GeS₂)：白色粉末状，具有高离子导电性、高化学稳定性和长寿命等优点，具有极高的纯度，可以达到99.99%或甚至99.999%的纯度。

锂镧锆氧氧化物（LLZO）：具有优异的离子电导率，可达1.5x10^-4S/cm，可用于固态锂电池的制备。这种材料可以通过溶胶凝胶方法、湿化学法（如低温燃烧合成法、微乳液法、注凝成型技术等）制备。

锂镧锆钽氧氧化物（LLZTO）：具有高离子导电性、优异的化学稳定性和热稳定性。通过优化制备工艺和晶体结构，可以进一步提高其电学性能，从而满足高性能固态电池的需求。

此外，还有其他固态电解质粉末，如硫酸钡、锂磷硫氯高稳定性硫化物固态电解质、锂锗磷硫硫化物固态电解质等。

隔膜

因为传统的隔膜在高温下的稳定性较差，严重影响电池的安全性，很难满足大功率系统的要求。所以，有了通过添加粉体涂层的方式对隔膜进行改性，因此，这些改性隔膜也是含有粉体材料的。

氧化铝（Al₂O₃）：氧化铝在自然界中含量丰富，具有优异的化学惰性、热稳定性和机械性能。它在工业上已被用作为第一代陶瓷隔膜材料，以改善聚烯烃隔膜的综合性能，同时它也是锂电池隔膜改性中使用量较大的无机粉体。

勃姆石（AlOOH）：勃姆石又称一水合_{氧化铝，是一类带有结晶水的氧化铝，是一种不可替代的氧化铝前驱体。AlOOH的生产较ɑ-Al2O3}更容易，工业上通过三水铝石水热法获得勃姆石浆料，再经过滤、干燥和粉碎分级获得AlOOH超细粉体。

二氧化钛（TiO₂）：具有无毒、性能稳定、易于控制制备的优点，能够提高隔膜的热稳定性和电解液润湿性，并可以吸收一些杂质电解质，有助于降低隔膜和电极之间的界面阻抗。同时，TiO2与电解液之间有较好的相容性，可促进锂离子的运输，提高隔膜的离子电导率，是比较理想的有机高分子隔膜改性材料。此外，在隔膜中引入TiO2可以减少粒子间应力，提高电池内部的稳定性。

二氧化硅（SiO₂）：SiO₂是常见热稳定性无机粉体填料，广泛应用于聚合物的填充和改性。由于其比表面积大且易产生大量的硅羟基（Si-OH），在改善隔膜亲水性的同时可提高隔膜的电解液浸润性，进而改善锂离子传输性能，提高电池的电化学性能。同时SiO₂颗粒可作为无机材料增强隔膜的机械强度，能避免负极锂枝晶的继续生长和穿刺，从而避免电池发生热短路。与Al₂O₃、AlOOH和TiO₂相比，SiO₂微观形貌更易调控，SiO₂纳米球、SiO2亚微米球、SiO₂纳米包覆易获得和实现。

参考来源：

锂离子电池比较理想的正极材料-钴酸锂（LiCoO₂）.中诺新材

一文了解锰酸锂正极材料.新能源创新材料

一文读懂锂离子电池三元正极材料！.材料PLUS

锂电池正极材料磷酸铁锂制备工艺简述.北方深蓝AlbertLee

尖晶石型钛酸锂负极材料的研究现状.合成化学

锂电粘结剂概述.佛山市瑞山集团有限公司

陈志金等.锂离子电池导电剂的研究进展

李钊等.介孔石墨烯/炭黑复合导电剂在锂离子电容器负极中的应用

杨永钰等.无机超细粉体改性锂离子电池隔膜的研究进展

注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！

本文地址：http://libattery.net/news/details2225.html