鋰電池中的粉體材料 你知道幾種？

鋰電池主要由正極、負極、隔膜、電解質、粘結劑、導電劑、極耳及封裝材料等組成，按照材料形態分類，正極、負極、粘結劑及導電劑為粉體材料，部分固態電解質是粉體材料，一些改性隔膜也含有粉體材料。

正極

已經商業化的正極材料有鈷酸鋰(LiCoO₂)、錳酸鋰(LiMn₂O₄)、三元正極材料(LiNi_xMn_yCo_zO₂)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，具有性能穩定、合成簡單方便、高的電化學性能和循環壽命等特性,是鋰離子電池比較理想的，首個成功商業化的鋰離子電池正極材料，目前主要用于3C電池領域。

錳酸鋰(LiMn₂O₄)：黑灰色粉末，應用于鋰電池時具有立方尖晶石晶體結構，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(LiNi_xMn_yCo_zO₂)：指的是鎳鈷錳三元正極材料，即在LiCoO₂基礎上，用Ni和Mn取代部分Co而得到的一種新材料。它既繼承了LiCoO₂的穩定性，又繼承了LiNiO₂的高可逆容量，還繼承了LiMnO₂高安全性等優點。相較于鈷酸鋰，三元材料中Co的成分降低，使得成本降低。這些優勢使三元材料成為目前最具有廣闊發展前景的新型鋰離子電池正極材料之一。

磷酸鐵鋰(LiFePO₄)：具有橄欖石型結構，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，且循環壽命長，在高溫與高熱環境下的穩定性要好。

負極

目前負極材料有石墨材料、硬碳材料、軟碳材料、鈦酸鋰、硅基材料等，其中石墨負極材料應用最多，硅基負極材料前景最廣。

石墨負極材料：主要由石墨構成，具有較高的導電性、較高的能量密度、良好的化學穩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。湖南大學劉洪波教授在接受粉體網采訪時表示，未來10年，石墨負極材料仍將是市場主流。

硬碳材料：硬碳是經高溫處理后不會石墨化的碳，其內部晶體排列無序、層間距大，這使得硬碳負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，有低而平穩的充放電電位平臺，具備充放電容量大且效率高、循環性能好的優點。其微觀結構由燒結溫度決定，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“零應變”電極材料，鋰離子在其中嵌入和脫出過程中，材料的結構幾乎不發生變化，理論上有無限長的循環壽命。因此，其作為儲能和動力鋰電池負極材料有著很大的研究價值和商業應用前景。

硅基材料：主要分為納米硅和氧化亞硅，對應硅基負極的兩條路線是硅碳負極和硅氧負極。硅基負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，因此硅基負極被認為是最具潛力的下一代鋰電池負極材料。

黏結劑

黏結劑有聚偏氟乙烯(PVDF)和丁苯橡膠(SBR)等，其中PVDF可用于正極和負極，SBR通常用于負極。

聚偏氟乙烯(PVDF)：PVDF具有極佳的化學穩定性和耐腐蝕性，可有效抵抗鋰電池中極性有機溶劑電解液的侵蝕，且具有較好的粘結性能、優良的機械性能和加工性；此外，PVDF還有足夠的柔韌性，保證活性物質在反復膨脹和收縮過程中不脫落，電極微粒間的結合不被破壞，因此PVDF在鋰電池正極粘結劑中被廣泛使用，目前占比可達90%。

丁苯橡膠(SBR)：SBR是一種應用廣泛的水性粘結劑，尤其在鋰電負極粘結劑中，其應用占比高達98%。這種粘結劑具有優秀的粘結強度、良好的機械穩定性和可操作性。作為關鍵電芯材料之一，SBR的主要作用是提供負極活性物質顆粒之間，以及活性物質層與集流體之間的粘結力。同時，它還能提升電池的動力學性能，降低阻抗并提供優異的循環穩定性。

導電劑

導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，在活性物質之間、活性物質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，提高電子電導率，從而提高電極的充放電效率。常用的導電劑有炭黑、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電性與純度。炭黑是目前使用最為廣泛的鋰電池導電劑，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，組成了電極中的導電網絡。通過覆蓋活性物質粒子，在間隙內添加導電炭黑，正負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，所以添加此類導電劑的極片通常有較好的柔韌性和機械穩定性，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電性，改善極化現象，使循環性能更好；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約空間，從而提高能量密度。但CNT不易分散，目前工業上一般采用高速剪切、添加分散劑、超細磨珠靜電分散等工藝來處理。

固態電解質

常見的粉體形式的固態電解質：

高純二硫化鍺粉末(GeS₂)：白色粉末狀，具有高離子導電性、高化學穩定性和長壽命等優點，具有極高的純度，可以達到99.99%或甚至99.999%的純度。

鋰鑭鋯氧氧化物（LLZO）：具有優異的離子電導率，可達1.5x10^-4S/cm，可用于固態鋰電池的制備。這種材料可以通過溶膠凝膠方法、濕化學法（如低溫燃燒合成法、微乳液法、注凝成型技術等）制備。

鋰鑭鋯鉭氧氧化物（LLZTO）：具有高離子導電性、優異的化學穩定性和熱穩定性。通過優化制備工藝和晶體結構，可以進一步提高其電學性能，從而滿足高性能固態電池的需求。

此外，還有其他固態電解質粉末，如硫酸鋇、鋰磷硫氯高穩定性硫化物固態電解質、鋰鍺磷硫硫化物固態電解質等。

隔膜

因為傳統的隔膜在高溫下的穩定性較差，嚴重影響電池的安全性，很難滿足大功率系統的要求。所以，有了通過添加粉體涂層的方式對隔膜進行改性，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，具有優異的化學惰性、熱穩定性和機械性能。它在工業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，是一類帶有結晶水的氧化鋁，是一種不可替代的氧化鋁前驅體。AlOOH的生產較ɑ-Al2O3}更容易，工業上通過三水鋁石水熱法獲得勃姆石漿料，再經過濾、干燥和粉碎分級獲得AlOOH超細粉體。

二氧化鈦（TiO₂）：具有無毒、性能穩定、易于控制制備的優點，能夠提高隔膜的熱穩定性和電解液潤濕性，并可以吸收一些雜質電解質，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，可促進鋰離子的運輸，提高隔膜的離子電導率，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可以減少粒子間應力，提高電池內部的穩定性。

二氧化硅（SiO₂）：SiO₂是常見熱穩定性無機粉體填料，廣泛應用于聚合物的填充和改性。由于其比表面積大且易產生大量的硅羥基（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，進而改善鋰離子傳輸性能，提高電池的電化學性能。同時SiO₂顆粒可作為無機材料增強隔膜的機械強度，能避免負極鋰枝晶的繼續生長和穿刺，從而避免電池發生熱短路。與Al₂O₃、AlOOH和TiO₂相比，SiO₂微觀形貌更易調控，SiO₂納米球、SiO2亞微米球、SiO₂納米包覆易獲得和實現。

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AlbertLee

尖晶石型鈦酸鋰負極材料的研究現狀.合成化學

鋰電粘結劑概述.佛山市瑞山集團有限公司

陳志金等.鋰離子電池導電劑的研究進展

李釗等.介孔石墨烯/炭黑復合導電劑在鋰離子電容器負極中的應用

楊永鈺等.無機超細粉體改性鋰離子電池隔膜的研究進展

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