鋰電池正極材料和負(fù)極材料知識(shí)一、正極材料：正極材料是\o"鋰電池"\t"/2021-05/_blank"鋰電池的核心材料，是決定電池性能的最關(guān)鍵因素。正極材料對電池產(chǎn)品最終的能量密度、電壓、使用壽命以及安全性等有著直接影響，也是\o"鋰電"\t"/2021-05/_blank"鋰電池中成本最高的部分。鋰電池往往用正極材料命名，如\o"三元鋰電池"\t"/2021-05/_blank"三元鋰電池，就是使用三元材料做正極的鋰電池。不同正極材料差距明顯，適用領(lǐng)域也不一樣。常見的正極材料可以分為鈷酸鋰（LCO）、錳酸鋰（LMO）、磷酸鐵鋰（LFP）和三元材料（NCM）。圖：根據(jù)市場公開資料整理鈷酸鋰是最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的正極材料，其能量密度高于鎳氫及鉛酸等充電電池，最早體現(xiàn)出鋰電池的發(fā)展?jié)摿Γ职嘿F且循環(huán)壽命低，鈷酸鋰電池僅適用于3C電子產(chǎn)品。錳酸鋰雖成本低，但能量密度不佳，在早期的慢速電動(dòng)車，如電瓶車等領(lǐng)域有一定用量，如今主要用于電動(dòng)工具以及儲(chǔ)能領(lǐng)域，少見于動(dòng)力電池。當(dāng)前主要應(yīng)用于電動(dòng)車領(lǐng)域的，是三元材料以及磷酸鐵鋰兩條技術(shù)路線。在2020年鋰電池正極材料出貨占比中，分列第一和第二。三元材料的核心優(yōu)勢在于能量密度高。同體積、同質(zhì)量下，續(xù)航時(shí)間較其它技術(shù)路線大幅領(lǐng)先。但其缺陷也非常明顯：安全性差，受到?jīng)_擊和處于高溫環(huán)境時(shí)，起火點(diǎn)比較低。磷酸鐵鋰則恰好與三元材料相反，能量密度與續(xù)航均表現(xiàn)一般，但安全性卻十分優(yōu)秀。其晶體結(jié)構(gòu)為獨(dú)特的橄欖石型，空間骨架結(jié)構(gòu)不易發(fā)生形變，使其在高溫環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定。三元材料在約150℃~250℃的條件下即會(huì)開始分解并放出氧氣，導(dǎo)致電解質(zhì)燃燒，相較之下磷酸鐵鋰的分解溫度則在600℃左右，安全優(yōu)勢非常明顯。此外，磷酸鐵鋰電池的使用壽命也有巨大優(yōu)勢，其循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)超其它技術(shù)路線，這正應(yīng)對電動(dòng)汽車消費(fèi)者的兩個(gè)關(guān)鍵訴求：安全、耐用。二、負(fù)極材料：眾所周知，鋰電池的四大主材包括正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜。那么，在鋰電材料中，負(fù)極材料處于什么樣的地位？一般而言，鋰電池負(fù)極材料由活性物質(zhì)、粘結(jié)劑和添加劑制成糊狀膠合劑后，涂抹在銅箔兩側(cè)，經(jīng)過干燥、滾壓制得，作用是儲(chǔ)存和釋放能量，主要影響鋰電池的循環(huán)性能等指標(biāo)。負(fù)極材料按照所用活性物質(zhì)，可分為碳材和非碳材兩大類：碳系材料包括石墨材料（天然石墨、人造石墨以及中間相碳位球）與其它碳系（硬碳、軟碳和石墨烯）兩條路線；非碳系材料可細(xì)分為鈦基材料、硅基材料、錫基材料、氮化物和金屬鋰等。圖：負(fù)極材料分類與正極材料不同，鋰電池負(fù)極雖路線同樣眾多，最終產(chǎn)品卻很單一，人造石墨是絕對主流。數(shù)據(jù)顯示，2020年中國人造石墨出貨量約為30.7萬噸，在負(fù)極材料出貨總量中的占比高達(dá)84%，較2019年水平進(jìn)一步提升5.5%。相較于其它材料，人造石墨循環(huán)性能好、安全性占優(yōu)且工藝成熟、原材料易獲取，成本較低，是非常理想的選擇。石墨負(fù)極最核心的問題，則是石墨負(fù)極材料能量密度的理論上限為372mAh/g，而行業(yè)頭部公司的產(chǎn)品已可實(shí)現(xiàn)365mAh/g的能量密度，逼近理論極限，未來的提升空間極為有限，急需尋找下一代替代品。新一代的負(fù)極材料中，硅基負(fù)極是熱門候選者。其具有極高的能量密度，理論容量比可達(dá)4200mAh/g，遠(yuǎn)超石墨類材料。但作為負(fù)極材料，硅也有嚴(yán)重缺陷，鋰離子嵌入會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的體積膨脹，破壞電池結(jié)構(gòu)，造成電池容量快速下降。目前通行的解決方案之一是使用硅碳復(fù)合材料，硅顆粒作為活性物質(zhì)，提供儲(chǔ)鋰容量，碳顆粒則用來緩沖充放電過程中負(fù)極的體積變化，并改善材料的導(dǎo)電性，同時(shí)避免硅顆粒在充放電循環(huán)中發(fā)生團(tuán)聚。基于此，硅碳負(fù)極材料被認(rèn)為是前景最佳的技術(shù)路線，逐漸獲得產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)企業(yè)的關(guān)注。特斯拉的Model3已經(jīng)使用了摻入10%硅基材料的人造石墨負(fù)極電池，其能量密度成功實(shí)現(xiàn)300wh/kg，大幅領(lǐng)先采用傳統(tǒng)技術(shù)路線的電池。不過與石墨負(fù)極相比，硅碳負(fù)極除了加工