一文读懂锂离子电池材料篇

在当今这个科技飞速发展的时代，锂离子电池已然成为了我们生活中不可或缺的一部分。从日常使用的手机、笔记本电脑，到出行必备的电动汽车，再到大规模的储能系统，锂离子电池凭借其高能量密度、长寿命、低自放电率等诸多优势，广泛渗透到各个领域，为我们的现代生活提供着强劲动力。

然而，你是否曾好奇，这小小的锂离子电池究竟是由哪些原材料构成，又是怎样被制造出来的呢？接下来，就让我们一同深入探究锂离子电池的原材料与制造工艺，揭开其神秘面纱。

锂离子电池的 “心脏”：原材料大揭秘 锂离子电池的 “心脏”：原材料大揭秘

（一）正极材料：性能担当

正极材料堪称锂离子电池的 “性能担当”，不同的正极材料各具特性，适配于不同的应用场景。钴酸锂（LiCoO）作为最早实现商业化的正极材料之一，凭借其生产工艺简单、电化学性能稳定的优势，在电子消费品锂离子电池领域广泛应用，像我们日常使用的手机、笔记本电脑等 3C 产品中的电池，大多采用钴酸锂作为正极材料。它具有放电电压高、充放电电压平稳、比能量高等诸多优点，能够为电子设备提供稳定且强劲的电力支持。然而，钴酸锂也并非十全十美，它存在成本高、环境友好性差、比容量利用率低、循环性能低以及安全性能差等缺点。随着充电电压的提高，钴酸锂材料会逐渐出现不可逆结构相变、表界面稳定性下降、安全性能下降等问题，这在一定程度上限制了它在大型动力电池领域的应用。

锰酸锂（LiMnO）则以其良好的耐过充性、安全性脱颖而出。锰原料丰富、无毒性、市场价格较低，使得锰酸锂成为了一种极具发展前景的材料。特别是在对成本较为敏感、对安全性要求较高的应用场景中，锰酸锂有着广阔的用武之地。不过，它也存在一些不足之处，例如理论容量较低，在电解质中会随着时间延长而逐渐溶解，与电解质之间的相容性欠佳。当锂离子电池进行深度的充电和放电时，材料还会出现晶格畸变，导致电池容量迅速降低。但值得庆幸的是，通过表面修饰和掺杂等技术手段，能够有效改性其电化学性能，抑制锰的溶解和电解液分解，提升其整体性能。

锰酸锂

三元材料，即镍钴锰酸锂（NCM），它像是一位 “全能选手”，在比能量、循环性、安全性和成本方面可以进行均衡和调控。这种材料融合了锰酸锂、镍酸锂和钴酸锂三种锂离子电池正极材料的优点，形成三相共熔体系，综合性能优于任何单一材料生产的锂离子电池，展现出了三元协同效应。它具有容量更高、价格低廉、环境污染较小、安全性能较为稳定，并且在高温环境下稳定性较高等优势，因而在市场上备受青睐，广泛应用于电动汽车、储能系统等领域。不过，随着镍含量的升高，三元材料也面临着一些挑战，如热稳定性变差、储存和开发难度增大、电解液匹配问题等，这也促使着科研人员不断探索改性技术，以优化其性能。

锰酸锂

磷酸铁锂（LiFePO）近年来广受关注，它最大的亮点在于其出色的安全性和长循环寿命。不含有害元素、成本低廉、安全性非常好，循环寿命可达 10000 次，这些特点使得磷酸铁锂材料迅速成为研究热点，磷酸铁锂电池在电动汽车领域，尤其是电动大巴车及少量乘用车中有了广泛的应用。然而，磷酸铁锂的能量密度相对较低，这主要归因于其材料电压仅有 3.3V 左右，低于其他正极材料，且导电性较差，需要纳米化并进行包覆才能获得良好的电化学性能，这使得材料变得蓬松，压实密度较低。为了突破这一局限，目前已有学者通过在磷酸铁锂中掺入 Mn 元素使其拥有更高的电压和更高的能量密度，也有相关研究通过复合技术将磷酸铁锂与 NCM 三元材料进行混合，在保持三元电池较高能量密度的同时有效提升其安全性能。

磷酸铁锂（橄榄石结构） （二）负极材料：多样选择

负极材料的种类同样丰富多样，为锂离子电池的性能优化提供了多种可能。石墨材料是目前应用最为广泛的负极材料，它具有诸多优良特性，使其成为众多锂离子电池制造商的首选。首先，石墨具有电子导电率高的特点，能够确保在充放电过程中，电子能够快速、顺畅地在电极之间传输，大大提高了电池的充放电效率。其次，石墨嵌锂前后层状结构体积变化小，这一特性使得电极在反复充放电过程中能够保持结构的稳定性，有效延长了电池的循环寿命。再者，石墨的嵌锂容量较高，能够储存较多的锂离子，为电池提供更高的能量密度。此外，石墨的嵌锂电位低，有利于锂离子的嵌入和脱出，进一步提升了电池的性能。锂离子电池所用的石墨材料一般由 55% 的合成石墨和 45% 的低纯度天然石墨混合而成，现代化学提纯方法的应用，使得经过热处理获得 99.9% 纯天然石墨成为可能，相比之下，合成石墨的纯度为 99%，前者因更高的结晶度、更好的导电性和导热性，以及有望降低生产成本等优势，愈发受到欢迎。

石墨

除了石墨，还有硬炭材料、软炭材料、钛酸锂（LiTiO）、Si 基材料和 Sn 基材料等多种负极材料可供选择。硬炭材料和软炭材料具有一定的优势，如在充放电过程中结构相对稳定，能够适应不同的工况条件。钛酸锂则以其出色的快充性能和长循环寿命著称，在一些对充电速度要求极高、且需要频繁充放电的场景中，钛酸锂负极材料展现出了独特的优势。不过，钛酸锂的比容量相对较低，这在一定程度上限制了它在对能量密度要求较高的应用中的使用。Si 基材料和 Sn 基材料具有极高的理论比容量，是未来负极材料发展的重要方向之一。以 Si 基材料为例，其理论比容量可高达 4200mAh/g 以上，远远超过石墨的理论比容量，这意味着采用 Si 基材料作为负极，有望大幅提升电池的能量密度。然而，它们在充放电过程中体积膨胀较大，容易导致电极结构破坏，进而影响电池的循环寿命。为解决这一问题，科研人员正在不断探索改进的方法，如制备纳米硅、硅碳复合材料等，通过优化材料结构，抑制体积膨胀，提升其综合性能。

（三）电解液：离子的 “高速通道”

电解液在锂离子电池中扮演着离子 “高速通道” 的关键角色，它犹如电池内部的 “血液”，为锂离子的传输提供了介质，保障了电池的正常充放电过程。电解液通常分为液体电解质和凝胶电解质两种类型。其中，液体电解质最为常见，它主要由锂盐和有机溶剂组成。

六氟磷酸锂（LiPF）是商业化锂离子电池采用得最多的锂盐，约占到电解液总成本的 43%。它具有诸多优良特性，纯净的 LiPF 为白色晶体，可溶于低烷基醚、腈、吡啶、酯、酮和醇等有机溶剂，难溶于烷烃、苯等有机溶剂。LiPF 电解液的电导率较大，在 0℃时，EC + DMC（体积比 1∶1）电导率可达 10×10³S/cm，能够为锂离子的快速迁移提供良好的条件。而且它的电化学性能稳定，不腐蚀集流体，这对于保证电池的整体性能和使用寿命至关重要。然而，LiPF 也有一个明显的缺点，那就是热稳定性较差，遇水极易分解，这就要求在制备和使用过程中必须严格控制环境水分含量，以确保电解液的性能稳定。

电解液（储液罐）

有机溶剂的主要作用是溶解锂盐，使锂盐电解质形成可以导电的离子。常用的有机溶剂有碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）和碳酸甲乙酯（EMC）等，这些有机溶剂通常采用混合使用的方式，以弥补各组分的缺点。例如，EC 类碳酸酯的介电常数高，有利于锂盐的离解，能够为锂离子提供更多的游离态，便于其在溶液中移动；而 DMC、DEC、EMC 类碳酸酯黏度低，有助于提高锂离子的迁移速率，减少离子传输过程中的阻力。通过合理调配这些有机溶剂的比例，可以使电解液在离子电导率、黏度等方面达到最佳性能，从而为锂离子电池的高效运行提供有力保障。

电解液

（四）隔膜：安全卫士

隔膜虽薄，却肩负着保障电池安全、稳定运行的重任，堪称锂离子电池的 “安全卫士”。它是一种电化学不活泼的多孔薄膜，置于正负极之间，起着电子绝缘、提供锂离子迁移微孔通道的关键作用。尽管隔膜不直接参与电极反应，但它却对电池动力学过程有着深远影响，决定着电池的充放电、循环寿命、倍率等性能。

目前，锂离子电池隔膜大多采用的是以聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）为基体的聚烯烃微孔膜，如聚乙烯（PE）单层多孔膜、聚丙烯（PP）单层多孔膜和 PP/PE/PP 三层多孔膜。这些隔膜材料必须具备良好的绝缘性，以防止正负极接触短路或是被毛刺、颗粒、枝晶刺穿而出现的短路现象。因此，隔膜需要具有一定的拉伸、穿刺强度，不易撕裂，并在突发的高温条件下基本保持尺寸的稳定，不会熔缩导致电池的大面积短路和热失控。同时，隔膜还必须是具有较高孔隙率而且微孔分布均匀的薄膜，这样才能为锂离子提供高效的迁移通道，确保电池能够稳定充放电。材料本身的特性和成膜后的孔隙特征制约着电池中锂离子的迁移，体现在性能参数上就是离子电导率。一般来说，隔膜的孔径应大于锂离子的直径，小于活性物质的直径，高孔隙率能更有效地促进隔膜对电解液的吸收与渗透，提高离子的电导率。

隔膜

为了进一步提高隔膜的性能，满足不同应用场景的需求，科研人员还在不断研发新型隔膜材料。例如，耐热型聚合物隔膜的研究取得了一定进展，像 PEEK、PET、聚酰胺、PVDF、PI 等材料均具备优异的力学性能、热稳定性及化学稳定性，并且都可以通过静电纺丝制备隔膜保证其高孔隙率，有望成为高性能隔膜的候选材料。此外，陶瓷涂层隔膜也越来越受欢迎，在这种隔膜中，氧化铝、二氧化硅或氧化锆等陶瓷颗粒与粘合剂一起被浆料涂覆在聚合物膜上。由于陶瓷具有高亲水性和高比表面积，因此添加这种薄陶瓷涂层可提供更好的热稳定性和机械稳定性以及出色的润湿性，虽然目前还存在一些问题，如增加了重量、体积和加工时间，以及陶瓷涂层与聚合物隔膜可能出现脱落或分层等，但随着技术的不断进步，这些问题有望逐步得到解决。

（五）辅助材料：不可或缺的 “配角”

在锂离子电池的 “大家庭” 中，辅助材料虽然看似不起眼，却起着不可或缺的作用，犹如一场精彩演出中的 “配角”，为电池性能的提升默默奉献。

导电剂能够有效提高电极材料的导电性能，确保电子在电极中的传输畅通无阻。常见的导电剂有炭黑、气相生长碳纤维（VGCF）和碳纳米管等。炭黑具有较高的比表面积，能够吸附在活性物质表面，形成导电网络，提高电极的导电性。气相生长碳纤维（VGCF）和碳纳米管则具有独特的纤维状或管状结构，不仅能够提供良好的导电通道，还能增强电极材料的机械强度，防止电极在充放电过程中发生团聚或破裂。在实际应用中，根据不同的电极材料和电池性能需求，选择合适的导电剂及其添加量至关重要，因为导电剂的分布情况和含量会直接影响电池的内阻、倍率性能等关键指标。

黏结剂主要起到将活性物质、导电剂等颗粒粘接在一起的作用，形成具有粘附性的浆料，并使其与金属箔紧密粘接。聚偏氟乙烯（PVDF）和丁苯橡胶（SBR）是常用的黏结剂，其中 PVDF 可用于正极和负极，它具有良好的电化学稳定性，能够在较宽的电压范围内保持稳定，确保电池在充放电过程中电极结构的完整性。SBR 通常用于负极，它与石墨负极材料具有较好的相容性，能够有效防止负极浆料在搅拌、涂布等过程中出现团聚或沉降现象，保证负极极片的质量。此外，黏结剂还需要具备一些其他特性，如能够长时间维持浆料粘度保持不变，不会因为浆料放置导致其沉降、失效；可溶解形成高浓度溶液，所需的汽化热较低，便于在电池制备过程中的涂布工艺；碾压时容易成型且不会反弹，具有柔性，在电极破裂时不会形成碎片等。

集流体（铝箔）

集流体作为电池电极的支撑骨架，为电子的收集和传输提供了路径。正极集流体通常为铝箔，正极极耳为铝片，这是因为铝具有良好的导电性、化学稳定性，且在正极材料的工作电位范围内能够保持稳定，不会发生氧化或腐蚀反应。负极集流体则为铜箔，负极极耳为镍片，铜箔的导电性优异，能够满足负极电子快速传输的需求，而镍片在负极环境下具有较好的稳定性，能够确保极耳与外部电路的可靠连接。集流体的厚度、粗糙度等参数也会对电池性能产生影响，例如，适当降低集流体的厚度可以减少电池的重量和内阻，但同时需要保证其具有足够的机械强度，以防止在电池制备和使用过程中发生变形或断裂。

       原文标题 : 探秘锂离子电池：读懂锂离子电池---材料篇