【原創】三元正極材料之為什么非要是三元？

中國粉體網訊  在三元材料出現之前，已經有了鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰等正極材料。這些材料存在多多少少的問題，為了改善這些材料的性能，研究者們嘗試向其中加入其他物質，三元正極材料應運而生。

鈷酸鋰：具有理論比容量高、循環性能優異、放電平臺平穩、工作電壓高和合成工藝相對簡單等優點，但是鈷因價格較高、抗過充能力較差和污染較大等缺點制約了它的發展。

鎳酸鋰：雖然具有比容量較大的優點，但易生成非化學計量比的產物導致結構、熱穩定性較差。

錳酸鋰：錳具有資源豐富、價格便宜、安全性能高和環境友好等優點，這使得作為正極材料的錳酸鋰具有良好的應用前景。錳酸鋰有尖石結構的LiMn₂O₄及層狀結構的LiMnO₂這兩種結構，其中層狀LiMnO₂材料的比容量較大，但存在結構不穩定的特點；尖晶石結構LiMn₂O₄具有價格低廉、安全性能優異、對環境友好、充放電電壓高的優點，但存在高溫下容量衰減較嚴重、比容量較低等缺點。

三元材料的協同作用

在三元材料中，過渡元素Ni、Co、Mn在3b位置無序排列，具有明顯的三元協同效應，可以結合單一組分優點提高材料的整體性能，具有能量密度高、成本低、環境友好、市場前景與發展潛力較好的優勢。

首先，Ni的存在有助于提高電池容量，但是Ni²⁺的半徑（0.069nm）與Li⁺的半徑（0.076nm）接近，所以Li⁺易與Ni²⁺混排造成鋰析出，導致材料的循環性能變差。

摻入Co³⁺能夠抑制Li⁺與Ni²⁺混排，有利于材料層狀結構的穩定從而提高充放電容量及深度放電能力，并可對材料表面的氧化起到抑制作用，提高鋰離子的脫嵌速度及高倍率放電性能。

Mn⁴⁺在材料充放電過程中不參與氧化-還原反應，整個電化學過程中保持良好的惰性，提高了材料結構的穩定性及材料的安全性能，但含量過高會使容量降低，破壞材料的層狀結構。

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專家簡介

唐有根，男，漢族，湖南漣源人，1962年10月出生，博士。現任中南大學二級教授、博士生導師，化學電源與材料研究所所長，化學電源湖南省重點實驗室主任，金屬燃料電池工程技術中心（籌）主任。

主要從事先進電池、新能源材料和應用電化學等方面的教學、科研和開發工作。承擔10余項國家重點科技攻關項目、國家“863”高技術計劃項目、國家自然科學基金項目、解放軍武器裝備高新工程攻關項目和企業重大招標與技術轉讓等項目，科研經費2000多萬元。先后榮獲省部級科技進步獎12項，獲國家發明專利20項。出版專著和教材5部，在國內外重要期刊上發表學術論文300余篇，Ei和Sci檢索論文200多篇。獲2000年寶鋼教育基金優秀教師獎和2014年鑫恒教育基金優秀教師獎。