[科普中国]-三元聚合物锂电池

三元聚合物锂电池是指正极材料使用镍钴锰酸锂（Li（NiCoMn）O2）或者镍钴铝酸锂的三元正极材料的锂电池1，三元复合正极材料是以镍盐、钴盐、锰盐为原料，里面镍钴锰的比例可以根据实际需要调整，三元材料做正极的电池相对于钴酸锂电池安全性高，但是电压太低，用在手机上（手机截止电压一般在3.0V左右）会有明显的容量不足的感觉。

简介锂离子电池是用锂作负极活性物质的化学电池。锂的标准电极电位最负，在金属中比重最轻，反应活泼性最高，因而锂电池的电动势和比能量很高，是一种重要的高能电池。 锂电池的正极活性物质有氧化物、硫化物、卤化物、卤素、含氧酸盐等无机电极材料，如二氧化锰、二氧化硫、硫化铜、铬酸银、聚氟化碳、亚硫酰氯、碘等；也可以电子导电聚合物作正极材料，如聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚咔唑等，又称为聚合物电池。锂电池的电解质为非水溶液、固体和熔融盐。非水溶液电解质由有机溶剂或非水无机 溶剂加入无机盐组成，采用的有机溶剂主要有碳酸丙烯酯、二甲基丙酰胺、乙腈、γ-丁内酯等；非水无机溶剂有亚 硫酰氯，液体二氧化硫等。无机盐有高氯酸锂、氯化铝锂、氟硼酸锂、溴化锂等。因锂和水接触立即发生激烈反应， 所以不仅电解质不能采用水溶液，而且全部材料和零部件均需严格脱水，并可靠密封。锂离子电池作为一种集高能量密度和高电压为一体的储能装置，已广泛应用于移动和无线电子设备、电动工具、混合动力和电动交通工具等领域2。

三元聚合物锂电池是指正极材料使用锂镍钴锰或者镍钴铝酸锂的三元正极材料的锂电池，锂离子电池的正极材料有很多种，主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。其中磷酸铁锂作为正极材料的电池充放电循环寿命长，但其缺点是能量密度、高低温性能、充放电倍率特性均存在较大差距，且生产成本较高，磷酸铁锂电池技术和应用已经遇到发展的瓶颈；锰酸锂电池能量密度低、高温下的循环稳定性和存储性能较差，因而锰酸锂仅作为国际第1代动力锂电的正极材料；而多元材料因具有综合性能和成本的双重优势日益被行业所关注和认同，逐步超越磷酸铁锂和锰酸锂成为主流的技术路线。三元材料的电芯代替了之前广泛使用的钴酸锂电芯，在笔记本电池领域广泛使用。

参数标称容量：1250mAh

标准放电持续电流：0.2C

最大放电持续电流：1C

放电：-10~60℃

产品尺寸：MAX 9.5*35*52mm

成品内阻：≤150mΩ

引线型号：国标线UL1007/24#，线长55mm

保护参数：

过充保护电压/每串4.325±0.025V

过放保护电压 2.5±0.05V

过流值：2~6A或3-8A

性能在容量与安全性方面比较均衡的材料，循环性能好于正常钴酸锂，前期由于技术原因其标称电压只有3.5-3.6V，在使用范围方面有所限制，随着配方的不断改进和结构完善，电池的标称电压已达到3.7V，在容量上已经达到或超过钴酸锂电池水平。

地位全球5大电芯品牌SANYO，PANASONIC，SONY，LG，SAMSUNG已推出三元材料的电芯，相当部分的笔记型电池线都用三元材料的电芯替换了之前的钴酸锂电芯，SANYO，SAMSUNG柱式电池方面更是全面停产钴酸锂电芯转向三元电芯的制造，国内外小型的高倍率动力电池大部分使用三元正极材料。

NCA 材料具有层状结构的LCO是早期主要的商用正极材料，其综合性能优异，其理论比容量274 m Ah/g。但使用的Co金属成本高且具有生理毒性，国内大多企业已停止对LCO的生产。镍酸锂具有与 LCO 相似的结构特征，理论比容量（275 m Ah/g），原料成本低，但其电子结构、磁性结构和局部结构仍存在很大争议，实验上还不能合成化学计量比的Li NiO2，所以纯镍正极并不理想。用其他元素（如 Co，Al，Mn 等）取代部分 Ni的富镍层状氧化物具有较大的可逆容量，是镍基储能领域众多研究中最具吸引力的一种。Co 的掺入显著增强了镍基正极材料的结构有序性，但会降低材料比容量，在 Ni：Co=8：2 时，所制备的 Li Ni0.8Co0.2O2材料性能最优且阳离子混排程度低于 2%，但性能受高温影响较大。富镍层状氧化物的容量和电位在长期的循环过程中会迅速衰减，不可避免地会影响能量的稳定输出，少量 Al 的掺入能稳定材料结构同时提高材料热稳定性，以增强其充放电过程中的循环能力和稳定性。NCA 材料由于其优异的结构稳定性和高容量，是一种很有前途的材料。但是，NCA 材料的循环性和倍率性能仍然限制了其大规模应用。层状岩盐正极材料由于结构缺陷影响电化学性能，镍基化合物中常见的结构缺陷有多余镍、锂镍反位和氧空位缺陷。NCA三元材料也存在一些缺点，主要表现在以下两个方面：（1）在材料合成高温退火时，Ni较差的热稳定性会导致其还原为Ni，由于Ni半径（0.69 Å与Li半径（0.76 Å）相近，在充电过程中随着Li的脱出，部分Ni会占据Li的空位，造成锂镍反位缺陷，生成不可逆相，导致材料容量损失；（2）高氧化态的 Ni、Ni在高温条件下极不稳定，且易与电解液释放的 HF 发生副反应，造成材料结构发生变化甚至坍塌，从而影响材料的比容量及循环性能。针对这些缺点，通常对材料进行改性处理，主要使用的改性方法可概括为表面包覆和体相掺杂。表面包覆是将包覆材料（碳及其衍生物、氧化物、磷酸盐、锂化物等）附着在正极材料表面，是一种十分简单有效的改性方法，要求所使用的包覆材料具有较好的Li和电子传输性能，一方面可以提高 NCA 材料的电子电导率，进而改善材料的倍率性能；另一方面，包覆层可以减少 NCA 材料与电解液的直接接触面积，降低电解液释放的 HF 与材料的副反应发生的几率，从而防止因正极材料被腐蚀造成的晶体结构坍塌，显著提高电池在循环过程中的稳定性2。

本词条内容贡献者为:

徐恒山 - 讲师 - 西北农林科技大学