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电池的正极材料是什么

上期我们讲到，用锂做电池。这期我们讲讲正极材料。

从材料本身的性质来说，正极材料必须在失去锂离子之后，还能形成稳定的化合价，从而保障电池的安全和稳定。也因此在电池中，锂无法单独存在，它需要和其他物质，仪化合物的形式共存。于是寻找合适的含锂化合物，就成了科学家工作的重点。

1997年，发现磷酸铁锂，这种材料在充电的时候可以很好地释放锂离子，在电池放电时，还可以将锂离子再吸收回来。在持续充放电的循环过程里，整个化学过程是可逆的，化学式为：

充放电化学方程式

失去了锂离子的磷酸铁锂，转变为磷酸铁。

在这种转变过程中，这两种物质的晶体结构，并未发生多大改变，并且呈现橄榄石结构，不会出现结构坍塌或变形，这就可以让磷酸铁锂电池在充放电的过程，维持良好的热稳定性和循环性能，从而保证电池的使用安全和寿命。

此外磷和铁在地球上广泛分布，简单易得，所有这些特性都让磷酸铁锂脱颖而出，支撑起了锂离子电池正极材料的半壁江山。

而另一种与之匹敌的正极材料，就是三元材料。

所谓三元，指的是含有锰(Mn)、钴(co)、镍 (Ni)，三种金属物质的金属化合物，其实含有单一金属物质的锰酸锂，钴酸锂、镍酸锂，都可以和磷酸铁锂一样，在一定的电化学条件下，实现对锂离子的吸收与释放，实现放电与充电的功能。

那么又何须出现包含镍锰钴三种金属的三元材料呢？

三元材料的出现，是对过去单一正极材料的缺陷补充。钴酸锂虽然能量密度高，续航时间长，但钴全球超三分之二的产量被刚果垄断，导致钴的成本极高，限制了钴酸锂电池的商业化发展。而锰酸锂虽然能量密度低，使用寿命有限，但热稳定性好。镍酸锂的能量密度高，但在充放电的过程中，极易发生晶体结构的变化，堵住锂离子，降低循环性能。

所以，无论是锰、钴还是镍，作为单一的正极材料，它们都有无可避免的缺陷，但如果可以将它们三者融合到一起，便可以取长补短。钴可以稳定材料的晶体结构，提升循环性能，镍作为活性金属，可以提供较大的能量密度，而锰作为非活性金属，则可以稳定材料内部反应，同时还能降低生产成本。由此三元锂离子电池，就可以在实现安全稳定的前提下，满足现代新能源汽车，和其他电子设备等高续航的需求。

那么，镍、锰、钴这三种物质，到底该如何分配比例？

早期镍、锰、钴所占的比例是一样的，用这种材料做成的电池，被称为NCM333电池，这种电池，循环稳定性和安全性能都比较均衡，但钴所占的比例依然比较高，生产成本较高，如果可以适当降低钴的比例，在剩下的锰和镍中，哪一个所占的比例应该相应提升？

镍的主要作用是为电池提供能量密度，保证电池续航时间，因此人们将目光投在了镍身上，而三元锂电池的发展其实就是由低镍到高镍的发展，我国第一代应用于动力电池的三元正极材料，是NCM523，这种5系电池为中镍电池相较于NCM333电池，5系电池中的镍，在正极材料中占一半的比例，可以给电池提供更长的续航时间。而高镍电池更进一步，镍的比例可达8成，也就是NCM811等8系电池。镍的高比例，为电池带来了无可比拟的续航能力，但热稳定性的挑战也接踵而至，这也是接下来，高镍电池想要进一步发展所需要攻克的技术难题。

目前磷酸铁锂电池和三元电池虽然市场占有比不同，都是厂商钟爱的电池，无论是从经济方面考虑，还是从性能方面考虑，它们都有各自的优势和劣势。磷酸铁锂的成本比三元材料低，大约为0.545元每瓦时。而三元电池中，NCM523、NCM811，成本分别为0.636元每瓦时、和0.596元每瓦时。并且磷酸铁锂的热稳定性更好，比三元锂电池更安全，但三元电池的优势便在于它的电芯的理论能量密度更高，可达200到350瓦时每千克，意味着续航能力更强，相比之下，磷酸铁锂电芯的理论能量密度，则在150到210瓦时每千克。