鋰離子電池因其電壓高、能量密度高、循環(huán)壽命長、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)倍受青睞，但隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，對鋰離子電池的性能也提出了更高的要求。正極材料作為目前鋰離子電池中最關(guān)鍵的材料，它的發(fā)展也最值得關(guān)注。同樣，對于三元鋰電池來說，三元鋰電池的正極材料也是最關(guān)鍵的。

在鋰離子電池當(dāng)中，由于正負(fù)極容量的差異，正極材料往往是影響電池能量密度的瓶頸所在。因此，采用不同正極材料的鋰離子電池之間，其特性也存在著或多或少的區(qū)別。常見的正極材料有四種，分別是片裝的鈷酸鋰和鎳酸鋰；尖晶石結(jié)構(gòu)的錳酸鋰；橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰；以及三元材料。

那么到底什么是三元鋰電池材料？

顧名思義，三元材料，就是三種電極材料共融而成的復(fù)合電極材料。理論上兼具每種電極材料的特性和優(yōu)勢。目前最常見的是NCA和NCM。

NCA指的是鎳鈷鋁酸鋰（鎳鈷鋁酸鋰三元材料）三元材料。它源自于鎳酸鋰（鎳酸鋰材料）材料的發(fā)現(xiàn)。這種電池容量較高，相應(yīng)的穩(wěn)定性較差，此時(shí)，摻雜了一些鋁，以穩(wěn)定其結(jié)構(gòu)。常見的分子式為（鎳鈷鋁酸鋰）。嚴(yán)格意義上說，NCA可能并不屬于三元材料，而改性的二元材料。特斯拉ModelS上使用的就是這種電池。NCM是目前最主流的三元材料，也被認(rèn)為是未來的發(fā)展趨勢。NCM指的是鎳鈷錳酸鋰（鎳鈷錳酸鋰）三元材料。通過調(diào)配鎳、鈷、錳三者的比例，得到不同的電極特性。

目前國內(nèi)的路線仍以磷酸鐵鋰為主。磷酸鐵鋰有較好的循環(huán)穩(wěn)定性能，成本也比較低。其理論能量密度大概在160Wh/kg。目前，比亞迪的單體電池，能量密度已經(jīng)達(dá)到了130Wh/kg。幾乎到達(dá)了能量密度的天花板。當(dāng)然研究工作者在對進(jìn)一步提高磷酸鐵鋰電池的性能做著許多的工作。比如摻雜一元或者多元的離子之后，獲得了更高的容量，1C放電比容量超過120mAh/g。但是要注意到提高比能量不一定能同比提高電池的能量密度，另外材料的穩(wěn)定性、安全性、材料成本、加工工藝的復(fù)雜化等一些列的問題，也仍待解決。因此，這些振奮人心的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，要想變成產(chǎn)品參數(shù)，仍有相當(dāng)長的一段路要走。

鋰酸鐵鋰的先天不足，使更多的企業(yè)開始注意三元材料。大部分磷酸鐵鋰的生產(chǎn)廠家，都開始關(guān)注三元材料的開發(fā)。其中一些（如天津力神、中航鋰電）已經(jīng)開始批量的三元材料鋰電池的生產(chǎn)。

三元材料對比鋰電池，到底有什么優(yōu)勢。從下表看看各種正極材料的能量密度參數(shù)。

材料種類

材料容量

電壓

電池容量（石墨負(fù)極）

改性錳酸鋰

110mAh/g

4.0V

140Wh/kg

磷酸鐵鋰

155mAh/g

3.4V

160Wh/kg

三元材料NCM

160mAh/g

3.8V

220Wh/kg

三元材料NCA

200mAh/g

3.8V

250Wh/kg

三元材料的理論比容量和能量密度的理論值要比磷酸鐵鋰樂觀得多。目前實(shí)際的產(chǎn)品參數(shù)又如何呢？美國JCS生產(chǎn)的NCA/C的45Ah電池，比能量密度在151mAh/kg，確實(shí)高于磷酸鐵鋰，但是離2015年的目標(biāo)仍有不小的距離。同時(shí)，由于國內(nèi)三元材料的起步較晚，與國外的技術(shù)水平有不小的差距。

三元鋰電池

目前常見的鋰離子電池正極材料主要有層狀結(jié)構(gòu)的鈷酸鋰、鎳酸鋰，尖晶石結(jié)構(gòu)的錳酸鋰和橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰。其中，鈷酸鋰（LiCoO2）制備工藝簡單，充放電電壓較高，循環(huán)性能優(yōu)異而獲得廣泛應(yīng)用。但是，因鈷資源稀少、成本較高、環(huán)境污染較大和抗過充能力較差，其發(fā)展空間受到限制。鎳酸鋰（LiNiO2）比容量較大，但是制備時(shí)易生成非化學(xué)計(jì)量比的產(chǎn)物，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性差。

錳酸鋰除了尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMn2O4外，還有層狀結(jié)構(gòu)的LiMnO2。其中層狀LiMnO2比容量較大，但其屬于熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，存在Jahn-Teller效應(yīng)而循環(huán)性能較差。尖晶石結(jié)構(gòu)LiMn2O4工藝簡單，價(jià)格低廉，充放電電壓高，對環(huán)境友好，安全性能優(yōu)異，但比容量較低，高溫下容量衰減較嚴(yán)重。磷酸鐵鋰屬于較新的正極材料，其安全性高、成本較低，但存在放電電壓低（3.4V）、振實(shí)密度低、尚未批量生產(chǎn)等不足。上述幾種正極材料的缺點(diǎn)都制約了自身的進(jìn)一步應(yīng)用，因此尋找新的正極材料成了研究的重點(diǎn)。

LiCoO2，LiNiO2同為α-NaFeO2結(jié)構(gòu)，且Ni、Co、Mn為同周期相鄰元素，因此它們能以任意比例混合形成固溶體并且保持層狀結(jié)構(gòu)不變，具有很好的結(jié)構(gòu)互補(bǔ)性。同時(shí)，它們在電化學(xué)性能上互補(bǔ)性也很好。因此，開發(fā)復(fù)合正極材料成了鋰離子電池正極材料的研究方向之一。其中，層狀Li-Ni-Co-Mn-O系列三元鋰電池正極材料（簡稱三元材料）較好地兼?zhèn)淞巳叩膬?yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了各自的不足，具有高比容量、成本較低、循環(huán)性能穩(wěn)定、安全性能較好等特點(diǎn)，被認(rèn)為是較好的取代LiCoO2的正極材料。因此，三元鋰電池正極材料也成為正極材料研究熱門之一。