高倍率鋰電池是一種危險(xiǎn)性比較大的鋰電池，很少應(yīng)用于日常的電子產(chǎn)品；因?yàn)槠浞烹婋娏鞔?、倍率高，所以普遍被?yīng)用于各類航模/無(wú)人機(jī)、車(chē)模等產(chǎn)品中，你知道高倍率鋰電池三元正極材料的幾個(gè)研究熱點(diǎn)嗎？請(qǐng)隨我一起往下看。

一、高倍率鋰電池高鎳三元材料

　　鎳鈷錳具有高比容量、長(zhǎng)循環(huán)壽命、低毒和廉價(jià)的特點(diǎn)，此外，三種元素之間具有良好的協(xié)同效應(yīng)，因此受到了廣泛應(yīng)用。用于高倍率鋰電池正極材料，在氧化還原儲(chǔ)能中，鎳是主要的成分，如何通過(guò)提高材料中鎳的含量以有效提高材料的比容量，是目前研究的熱點(diǎn)之一。

　　通過(guò)制備工藝的改進(jìn)可以有效改善材料性能。顆粒的微納尺寸以及形貌結(jié)構(gòu)，在很大程度上決定著高鎳三元正極材料的性能。因此目前主要的制備方法是將不同原料均勻分散，通過(guò)不同生長(zhǎng)機(jī)制，得到比表面積大的納米球形顆粒。

　　在眾多制備方法中，共沉淀法與高溫固相法結(jié)合是目前的主流方法，首先采用共沉淀法，得到原料混合均勻、材料粒徑均一的前驅(qū)體，然后經(jīng)過(guò)高溫煅燒得到表面形貌規(guī)整、過(guò)程易于控制的三元材料，這是目前高倍率鋰電池工業(yè)生產(chǎn)的主要方法。

　　噴霧干燥法較共沉淀法過(guò)程簡(jiǎn)單，制備速度快，所得材料形貌并不亞于共沉淀法，有進(jìn)一步研究的潛力。高鎳三元正極材料的陽(yáng)離子混排和充放電過(guò)程中相變等缺點(diǎn)，通過(guò)摻雜改性和包覆改性能夠有效得到改善。在抑制副反應(yīng)發(fā)生和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的同時(shí)，提高導(dǎo)電性、循環(huán)性能、倍率性能、存儲(chǔ)性能以及高溫高壓性能，仍將是研究的熱點(diǎn)。

二、高倍率鋰電池富鋰三元材料

　　下圖為高倍率鋰電池富鋰三元正極材料x(chóng)Li2MnO3·(1-x)LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2(0.1≤x≤0.5)的結(jié)構(gòu)示意圖，由于其特殊的結(jié)構(gòu)，可脫出更多的鋰，具有寬電壓窗口和高比容的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)被研究者所青睞。

　　這種材料之所有具有高電壓的特點(diǎn)，而且首次充放電機(jī)理與后續(xù)充電不同：首次充電會(huì)引起結(jié)構(gòu)的變化，這種變化反映在充電曲線上有兩個(gè)以 4.4V 為分界的不同的平臺(tái)，第二次充電過(guò)程中，其充電曲線不同于第一次的曲線，由于第一次充電過(guò)程中Li2O從層狀結(jié)構(gòu)的Li2MnO3中不可逆的脫出，在4.5V左右的平臺(tái)消失。

　　采用固相法、溶膠凝膠法、水熱法、噴霧熱解法和共沉淀法可以制備出不同結(jié)構(gòu)的富鋰三元正極材料，其中，使用較多的是共沉淀法，且每一種方法均有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　高倍率鋰電池富鋰三元材料展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景，是下一代高容量鋰離子電池所需的關(guān)鍵材料之一，但對(duì)于大規(guī)模應(yīng)用繼續(xù)研究。

該材料未來(lái)的研究方向主要為以下幾個(gè)方面：

①對(duì)脫嵌鋰機(jī)理的認(rèn)識(shí)不足，無(wú)法解釋材料庫(kù)倫效率將低、材料性能差異大等現(xiàn)象；

②摻雜元素研究不夠充分，較單一；

③由于在高電壓下正極材料受到電解液的侵蝕，造成差的循環(huán)穩(wěn)定性；

④商業(yè)化應(yīng)用較少，在安全性能方面的考察不夠全面。

三、高倍率鋰電池單晶三元正極材料

　　高倍率鋰電池的鋰電三元材料在高電壓下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，二次粒子或團(tuán)聚態(tài)單晶后期可能會(huì)出現(xiàn)一次粒子界面粉化或團(tuán)聚態(tài)單晶分離的現(xiàn)象，造成高倍率鋰電池內(nèi)阻變大、電池容量衰減快、循環(huán)變差。

　　單晶型高電壓三元材料，可以提高鋰離子傳遞效率，同時(shí)減小材料與電解液之間的副反應(yīng)，從而提高材料在高電壓下的循環(huán)性能。首先利用共沉淀法制備出三元材料前驅(qū)體，然后在高溫固相的作用下，得到單晶LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2。

　　這種材料具有較好的層狀結(jié)構(gòu)，在3～4.4V下，扣式電池 0.1放電比容量可達(dá)186.7m Ah/g，全電池1300次循環(huán)后放電比容量仍為初始放電容量的98%，是一種電化學(xué)性能優(yōu)異的三元正極復(fù)合材料。

四、高倍率鋰電池石墨烯摻雜

石墨烯具有單層原子厚度的二維結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電導(dǎo)率可達(dá)1×106 S/m。石墨烯用于高倍率鋰電池中具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好，有助于提高電池的倍率性能和安全性；

②相對(duì)于石墨，石墨烯儲(chǔ)鋰空間多，可以提高電池的能量密度；

③顆粒尺度為微納米量級(jí)，鋰離子的擴(kuò)散路徑短，有利于提高電池的功率性能。

　　利用研磨方法，將石墨烯和811型三元材料混合，然后50℃環(huán)境下攪拌 8h，再經(jīng)過(guò)干燥，得到石墨烯/811復(fù)合材料。由于石墨烯的改性作用，高倍率鋰電池正極材料的容量、循環(huán)穩(wěn)定性以及倍率性能都具有顯著的提高。

　　在沉淀法制備三元前體時(shí)加入石墨烯，片層結(jié)構(gòu)石墨烯的加入其空腔結(jié)構(gòu)降低了一次顆粒的團(tuán)聚，緩解外壓從而減少二次顆粒碾壓的破碎，石墨烯的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)提高了材料高倍率性和循環(huán)性能。

五、高倍率鋰電池高電壓電解液

　　高倍率鋰電池三元材料由于具有高電壓窗口，受到了越來(lái)越多的關(guān)注與研究。然而，由于目前商業(yè)用的碳酸酯基電解液電化學(xué)穩(wěn)定窗口低，高壓正極材料至今仍未產(chǎn)業(yè)化。

　　當(dāng)電池電壓達(dá)到4.5(vs.Li/Li+)左右時(shí)電解液便開(kāi)始發(fā)生劇烈的氧化分解，導(dǎo)致電池的嵌脫鋰反應(yīng)無(wú)法正常進(jìn)行。通過(guò)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用新型的高壓電解液體系或者高壓成膜添加劑來(lái)提高電極/電解液界面的穩(wěn)定性是研發(fā)高電壓型電解液的有效途徑。

　　在儲(chǔ)能體系中，目前主要以離子液體、二腈類有機(jī)物和砜類有機(jī)溶劑，作為高電壓三元材料的電解液。具有低熔點(diǎn)、不可燃、低蒸汽壓和高離子電導(dǎo)率的離子液體表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性能，受到了廣泛的研究。

　　將具有高壓穩(wěn)定性的新型溶劑全部或部分代替目前常用的碳酸酯溶劑確實(shí)能有效提高高倍率鋰電池電解液的氧化穩(wěn)定性。并且大部分的新型有機(jī)溶劑具有可燃性低等優(yōu)點(diǎn)，有望從根本上提高高倍率鋰電池的安全性能，但大部分的新型溶劑還原穩(wěn)定性差和粘度高，導(dǎo)致電池負(fù)極材料的循環(huán)穩(wěn)定性及電池的倍率性能降低。

六、高倍率鋰電池表面活性劑輔助合成

　　高倍率鋰電池三元正極材料性能取決于制備方法，采用共沉淀法制備，通過(guò)表面活性劑、超聲振動(dòng)和機(jī)械攪拌協(xié)同作用，最后將制備的片狀前驅(qū)體與碳酸鋰通過(guò)高溫退火，生長(zhǎng)成三元層狀結(jié)構(gòu)，是目前采用的一種新型的三元正極材料合成工藝。

　　發(fā)現(xiàn)使用OA和PVP作為表面活性劑能制備出形貌優(yōu)異的正六邊形納米片狀正極材料前驅(qū)體，且所得納米片的粒度分布較均勻，尺寸為400nm左右，表面活性劑對(duì)前驅(qū)體有很好的控形作用，組裝的電池在1C的放電倍率下的首次放電比容量為157.093mAh·g-1，在 1C、2C、5C和10C的放電倍率下各循環(huán)50次后容量保持率大于92%，體現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。

七、高倍率鋰電池微波合成方法

　　制備三元正極材料的主要方法中，固相法、共沉淀法和溶膠凝膠法都需要通過(guò)高溫?zé)Y(jié)數(shù)小時(shí)，耗能大，制備工藝復(fù)雜。微波加熱是在電磁場(chǎng)中材料產(chǎn)生介質(zhì)損耗而引起的體加熱，加熱速度快且均勻，合成的材料往往也具有更優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和性能，是一種非常有潛力的合成正極材料的方式。

　　將鋰源與計(jì)量比的前驅(qū)體混合后置于微波爐中，抽真空并通入氧氣，通過(guò)控制微波功率以實(shí)現(xiàn)不同速率的升溫，加熱到750℃后燒結(jié)20 min，自然冷卻至室溫得到正極材料。

　　利用XRD、SEM和充放電等手段，對(duì)合成材料的結(jié)構(gòu)、微觀形貌和電化學(xué)性能進(jìn)行了表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在1300W的輸出功率的微波中合成的正極材料，在0.2C充放電條件下，首次放電比容量高達(dá)185.2mAh/g，庫(kù)倫效率為84%，循環(huán)30次后保持92.3%的容量（2.8～4.3 V），表現(xiàn)出了良好的電化學(xué)性能和應(yīng)用潛力。

八、高倍率鋰電池紅外合成方法

　　在紅外線照射被加熱的物體時(shí)，當(dāng)發(fā)射的紅外線波長(zhǎng)和被加熱物體的吸收波長(zhǎng)一致時(shí)，被加熱的物體吸收紅外線，物體內(nèi)部分子和原子 發(fā)生“共振”，產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，而振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)使物體溫度升高，達(dá)到加熱的目的。

　　利用這一加熱原理，可以用于制備三元正極材料。HSIEH采用新型紅外加熱焙燒技術(shù)制備三元材料，首先將鎳鈷錳鋰乙酸鹽加水混合均勻，然后加入一定濃度的葡萄糖溶液，真空干燥得到的粉末在紅外箱中350℃焙燒1h，然后在900℃氮?dú)鈿夥障卤簾?h，一步制得碳包覆的333型三元正極材料，在2.8～4.5V電壓范圍內(nèi)，1C放電50圈，容量保持率高達(dá)94%，首圈放電比容量達(dá)170mAh/g，5C為75mAh/g，大倍率性能有待改善。

　　然后嘗試中頻感應(yīng)燒結(jié)技術(shù)，采用200℃/min升溫速率，900℃下加熱3h，制備了粒徑均勻分布在300～600nm的333材料，該材料循環(huán)性能優(yōu)異，但大倍率充放電性能有待完善。

九、高倍率鋰電池等離子體合成方法

　　采用傳統(tǒng)的高溫煅燒法制備三元正極材料時(shí)，需要的合成溫度高、煅燒時(shí)間長(zhǎng)，能量損失大。

　　經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在低溫等離子體環(huán)境中，各反應(yīng)物的化學(xué)活性高，化學(xué)反應(yīng)速度快，可以實(shí)現(xiàn)三元正極材料的快速制備。將鎳鈷錳的氧化物與碳酸鋰混合均勻，然后在放入等離子體發(fā)生裝置中，在通入氧氣的條件下，600℃反應(yīng)20~60分鐘得到三元正極材料Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2。

　　制備的正極材料具有高的初始放電比容量218.9 mA h·g-1，同時(shí)循環(huán)穩(wěn)定性、倍率性和高溫性能也由于采用傳統(tǒng)方法制備的材料。

十、廢舊電池制備三元正極材料

　　高倍率鋰電池的正極材料成本占30%-40%，因此，可以通過(guò)回收廢舊電池正極材料，利用制備工藝回復(fù)正極材料的儲(chǔ)能性能，能夠很大程度上降低高倍率鋰電池成本，而且一個(gè)完整的高倍率鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈就應(yīng)該包括鋰離子電池的回收利用。

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