鋰電池正極材料
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-05
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然而，目前鋰離子電池技術無法滿足這一需求，研究人員逐漸將重點轉向下一代電池。據外媒報道，浦項理工大學（POSTECH）的研究團隊利用煉油過程中廢棄的硫，可在30分鐘內成功合成鋰硫電池正極材料。
（圖片來源：POSTECH）
該團隊開發了一種創新鋰硫電池，具有高能量密度和機械靈活性，并且能夠快速充電。這是首次通過反硫化合成富硫層級有序共聚物。在不使用表面活性劑或立體穩定劑的情況下，快速反應時間小于30分鐘。
與目前使用的高毒性過渡金屬基正極材料不同，硫因成本低、天然儲量豐富、毒性少而備受關注。尤其是鋰硫電池具有很高的理論能量密度（2,600Wh kg-1)和高容量（1672mAh g-1），表現出作為下一代電池的潛力。然而，硫的導電性基本上較低，從而阻礙充分利用活性物質，使充放電循環放緩。另外，這種材料還具有在電解質中溶解度高的缺點，從而縮短了電池的使用壽命。
為了克服這些局限性，與傳統硫電極不同，研究團隊沒有采用熔體擴散工藝，而是通過硫和乙烯基膦酸（VPA）反硫化法進行共聚，僅在30分鐘內即可合成硫基聚合物顆粒。所產生的硫顆粒由基于低密度硫同素異形體的相分離α-硫和硫-VPA網狀物 (SVPA) 構成。
在短時間內形成大小均勻的層級有序顆粒，關鍵在于硫自由基與 VPA 之間的自催化反應。VPA所連接的長硫鏈在反應開始時形成，以在沒有表面活性劑的情況下穩定SVPA的球形形狀。有趣的是，研究表明在SVPA粒子表面會自發形成皺褶和孔隙，就像人的皮膚一樣，這有助于電解質滲透到正極中，同時也減輕了施加至電極表面的機械應力。
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蓋世汽車訊 據外媒報道，由香港城市大學（CityU）的科學家領導的聯合研究小組開發出一種更穩定的錳基正極材料。與現有鈷和鎳正極材料相比，新材料的容量更高，更加耐用。即使充放電次數增加一倍，也能保持90%的容量。這一發現為開發低成本、高效的鋰離子電池錳基正極材料提供了啟示。
（圖片來源：香港城市大學）
開發錳基正極材料的技術瓶頸：容量保持率低
目前，鋰離子電池使用的正極材料大多含有鈷和鎳，這兩種元素儲量不豐富，而且在開采過程中易污染環境。因此，科學家們正在尋找替代型正極材料，例如錳。
在領先錳基候選材料中，LiMnO2成本較低，更環保，而且理論容量更大。但是，這種材料在充放電循環中穩定性差，可能發生顆粒破碎、結構迅速退化和嚴重的錳溶解，導致電池容量大幅下降，并影響耐久性，使其在商業化鋰離子電池中的應用受到阻礙。
需要克服姜-泰勒畸變
香港城大物理學系助理教授劉奇博士指出，錳基材料結構不穩定的主要原因，在于原子結構中發生的姜-泰勒畸變（Jahn-Teller distortion）。在電池放電時，LiMnO2中的Mn-O鍵被拉長，稱為姜-泰勒畸變。
展開 鎳鈷錳酸鋰（Li（NiCoMn）O2）（LiNiCoMnO2），這是一種由鎳、鈷、錳三種金屬氧化物與鋰結合制成的鋰離子電池三元正極材料。鎳鈷錳酸鋰結合了其它材料的優點，如LiCoO2良好的循環性能、LiNiO2的高比容量、LiMnO2的高安全性及低成本，被認為是動力電源的理想選擇。
鎳鈷錳酸鋰材料結構圖
依據3種元素的摩爾比(x∶y∶z比值)的不同，分別將其稱為不同的體系，如組成中鎳鈷錳摩爾比(x∶y∶z)為1∶1∶1的三元材料，簡稱為333型;摩爾比為5∶2∶3的體系稱之為523體系，摩爾比為8∶1∶1的體系，稱之為811體系。
表面殘堿的產生
Ni的作用：提高增加材料的能量密度，但鎳含量高會導致三元材料表面形成Li2O，Li2O易與空氣中的CO2和H2O反應生成Li2CO3和LiOH。
一、電位滴定儀原理
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化學滴定分析：根據滴定所消耗的標準溶液的濃度和體積以及被測物質與標準溶液所進行的化學反應計量關系，利用指示劑顏色的變化來指示終點的滴定分析方法。可以分為：酸堿滴定法、氧化還原滴定法、配位滴定法、沉淀滴定法。
電位滴定法：利用電極電位的突變指示終點的滴定分析方法。
電位滴定裝置圖
電位滴定法與指示劑滴定法相比：
不受指示劑的限制，利用電位突變來確定終點
渾濁液體，有色液體的滴定
可用于連續滴定、微量滴定、非水滴定等
兩種滴定終點方式：
終點滴定EP：已知滴定的結束條件，滴定到指定的pH值或電位值。
展開 然而，鋰離子電池的正極材料由于容量不足和性能保持適中，已經成為滿足LIBS日益增長的能源需求的制約因素。負離子儲能為鋰離子電池正極材料實現更高的比容量提供了可能，但容量衰減、電壓退化、氧化還原行為不一致等問題仍然不可避免。
來自北京科技大學和清華大學的學者采用電化學離子交換法制備了具有帶狀超晶格結構的新型O2型錳基層狀正極材料Lix[Li0.2Mn0.8]O2，從而實現了陰離子高度可逆的氧化還原，并具有優異的循環性能。材料經低壓預循環處理后，比容量可達230mAh g?1，沒有明顯的電壓衰減。在電化學離子交換過程中，P2結構的前驅體通過相鄰板條的滑移和收縮轉變為O2結構的Lix[Li0.2Mn0.8]O2，并保留了Mn板條中特殊的超晶格結構。同時，MnO6八面體發生一定程度的晶格失配和可逆畸變。此外，陰離子氧化還原催化了固體電解質界面的形成，穩定了電極/電解質界面，抑制了Mn的溶解。通過綜合的結構和電化學表征，系統地研究了電化學離子交換的機理，為實現高度可逆的陰離子氧化還原開辟了一條誘人的途徑。
展開 來自美國愛達荷國家實驗室等單位的研究人員結合電化學分析、老化模型和循環后檢測，介紹了快充對正極材料循環壽命的影響。在前期循環過程中，材料老化問題較小，在隨后的循環中，當疲勞機制出現時，正極開裂和表面老化問題對整體正極容量衰減和阻抗增長產生累積和/或競爭效應，其中低倍率循環下更多由開裂主導，高倍率循環下主要由材料表面老化主導。相關論文以題為“Extendedcycle life implications of fast charging for lithium-ion battery cathode”發表在EnergyStorage Materials期刊上。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.07.001
當鋰離子電池在非快充條件下，但在其他條件（例如更高的溫度或電壓）充放電時，其機械、結構和正負極等問題已被廣泛研究，因而許多研究者開始關注快充條件下的正極材料。然而，這些研究大多是在扣式電池中進行的，研究范圍狹窄，往往不足以全面了解快充對鋰離子電池正極材料的長期影響。在快充條件下，扣式電池具有更高的阻抗，在相同操作條件下，扣式電池的極化和材料利用率明顯不同于軟包電池，因此，應該非常謹慎地以扣式電池的結果來推斷軟包電池，特別是長期老化行為。
目前關于扣式電池和全電池的快充研究，通常循環次數有限，一般認為開裂是正極老化的主要機制之一。然而，目前還沒有專門的、以正極為中心的快充研究，還不了解在什么條件下開裂成為主導，以及它是如何隨著循環而演變的。目前的文獻對長循環條件下鋰離子電池正極除開裂外的老化模式和機制沒有明確的認識，對正極方面的問題缺乏全面的了解，這使得研究人員對快充加速正極老化的程度感到困惑。
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從材料研發到失效分析
熱分析技術的應用貫穿鋰電池正極材料的全生命周期：
· 研發階段：篩選高熱穩定性材料體系（如LFP vs NCM），評估摻雜/包覆改性效果；
· 工藝控制：監控煅燒終點、洗滌效率及干燥殘留；
· 安全評估：測定不同SOC下的熱失控溫度，建立安全使用窗口；
· 失效診斷：對比循環老化前后材料的熱行為變化，追溯容量衰減或產氣根源。
在鋰電池正極材料開發中的應用
為了更好的提升鋰離子的傳輸通道，通常也會采用單晶和多晶NCM混合來制備極片，因為單晶和多晶NCM顆粒的顆粒尺寸差異明顯，以及導電添加劑CNT等混合物的形態，通過T2探測很容易識別，另外，單晶NCM顆粒與多晶NCM顆粒之間的導電網絡通道也呈現的非常清楚。
多晶與單晶三元NCM混合極片表面
鎳鈷錳酸鋰（Li（NiCoMn）O2）（LiNiCoMnO2），這是一種由鎳、鈷、錳三種金屬氧化物與鋰結合制成的鋰離子電池三元正極材料。鎳鈷錳酸鋰結合了其它材料的優點，如LiCoO2良好的循環性能、LiNiO2的高比容量、LiMnO2的高安全性及低成本，被認為是動力電源的理想選擇。
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來源 | Journal of Energy Storage
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背景介紹
隨著社會向低碳經濟轉型，未來幾十年電池行業可能會出現數量級的增長。電池的生產用途廣泛，每種用途都有特定的電力需求，從電力電子設備、啟動電池設備到各種儲能設備。由于其卓越的能量密度、較長的循環壽命和較低的自放電率，鋰離子電池已成為儲能技術的首選。然而，鋰離子電池的效率
鋰離子電池的正極材料由復合材料制成，一般被定義為鋰離子電池的名稱。
來源 | Journal of Energy Storage
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背景介紹
隨著工業的發展，節能減排的要求越來越高。在所有可能的探索中，熱能存儲（TES）為緩解能源供需失衡提供了一種充分且便捷的方式。因此，TES越來越受到人們的關注。相變材料 (PCM) 是 TES 的重要候選材料，因為它在相變過程中具有高潛熱和窄的溫度波動
來源 |
Journal of Energy Storage
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背景介紹
鋰離子電池在電壓、能量密度、自放電率和循環壽命方面與其他儲能電池相比具有不可替代的地位，廣泛應用于電動汽車和儲能系統中。隨著電池材料和結構的發展，鋰離子電池的能量密度也在不斷提高。隨著電池能量密度的不斷提高，對電池的熱安全性提出了更高的要求
來源 | Journal of Energy Storage
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背景介紹
如今，世界正在走向工業化，最近的工業革命導致更多的汽車生產以滿足人類交通的需要。受益于內燃機的車輛消耗大量化石燃料有其優點和缺點，但可以觀察到弊大于利。傳統車輛的出現導致全球變暖、聲音和空氣污染、特大城市的酸雨以及化石燃料資源的枯竭。然而，盡管提到了這些事實
CINNO Research
