全固态锂电池的分类和应用
导读：正极材料是决定锂离子电池性能的关键材料之一，也是目前商业化锂离子电池中主要的锂离子来源，其性能和价袼对锂离子电池的影响较大。
正极材料是决定锂离子电池性能的关键材料之一，也是目前商业化锂离子电池中主要的锂离子来源，其性能和价袼对锂离子电池的影响较大。目前研制成功并得到应用的正极材料主要有钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料镍钴锰酸锂（NCM）和镍钴铝酸锂（NCA）等。
钴酸锂（LCO）：适合小型电池，实际容量不高
钴酸锂是第一代商业化正极材料，在几十年的发展中逐渐改性和提高，可以认为是最成熟的锂离子电池正极材料。钴酸锂具有放电平台高、比容量较高、循环性能好、合成工艺简单等优点。但该材料含钴较多，成本较高。
钴酸锂仍是小型锂电池的最佳选择。目前在3C电子电池中，大多数仍使用钴酸锂而并非比容量更高的三元材料，原因是钴酸锂材料的压实密度大于三元材料，即单位体积内能容纳的钴酸锂量更多。在更为重视体积密度的小型电池中，钴酸锂占有着一席之地。
钴酸锂理论容量高，但实际容量却只有理论的一半。原因是在充电过程中锂离子要从钴酸锂材料中脱出，但脱出量小于50％时，材料的形态和晶型可以保持稳定。随着锂离子脱出量增大至50％时，钴酸锂材料将发生相变，如果此时继续充电，钴将溶解在电解液中并产生氧气，严重影响电池循环稳定性和安全性能，因此一般的钴酸锂充电截止电压为4.2V。
磷酸铁锂（LFP）：能量密度低，安全性突出
磷酸铁锂是目前广受关注的正极材料之一，理论比容量为170mAh/g，实际比容量可达150mAh/g以上。其主要特点是成本低廉，安全性非常好，循环寿命高，这些特点使得磷酸铁锂材料迅速成为研究热点，磷酸铁锂电池也在电动汽车领域有了广泛的应用。
磷酸铁锂的缺点也较为明显，即能量密度低。原因有两点：
一是磷酸铁锂材料的电压仅有3.3V左右，低于其他正极材料，这使得磷酸铁锂电池储存能量较低；二是磷酸铁锂导电性较差，需要纳米化并进行包覆才能获得良好的电化学性能，这使得材料变得蓬松，压实密度较低。两者综合作用，使得磷酸铁锂电池的能量密度低于钴酸锂和三元电池。因此磷酸铁锂电池主要应用于电动大巴车及少量乘用车中。
磷酸铁是否近期将被淘汰？近期新能源汽车安全事故频发，被认为将很快被三元材料取代的磷酸铁锂再次进入人们的视野，人们希望通过对磷酸铁锂进行改性提高其容量。目前已有学者通过在磷酸铁锂中掺入Mn元素使其拥有更高的电压和更高的能量密度，也有相关研究通过复合技术将磷酸铁锂与NCM三元材料进行混合，在保持三元素电池较高能量密度的同时可以有效提升其安全性能。
三元材料（NCM、NCA）：性能可调控，道路如何抉择？
三元材料是与钴酸锂结构极为相似的锂镍钴锰氧化物（LiNixCoyMn1-x-yO₂）的俗称，这种材料在比能量、循环性、安全性和成本方面可以进行均衡和调控。镍钴锰三种元素的不同配置将为材料带来不同的性能：镍含量增加将增加材料的容量，但会使循环性能变差；钴的存在可使材料结构更加稳定，但含量过高会使容量降低；锰的存在可以降低成本并改善安全性能，但含量过高则会破坏材料的层状结构，因此找到三种材料的比例关系以达到综合性能最优化，是三元材料研发的重点。常见配比有NCM111、523、622、811等。NCA则是将其中的锰元素用铝元素来替代，一定程度上改善材料的结构稳定性，但其铝含量较少，可近似看成是一种二元材料。
镍含量升高对材料性质产生了怎样的变化？
（1）镍含量越高，材料比容量越高。NCM811材料比容量可达210mAh/g，比NCMIII材料增加近25％。
（2）镍含量越高，材料储存和开发难度越大。高镍三元材料极易吸水变质，降低容量和循环寿命。而且一部分水还会保存在晶体中，使得电池在高温环境中产生气体，造成电池胀气，带来安全隐患。
（3）镍含量越高，三元材料热稳定性越差。如NCM111材料在300C左右发生分解，而NCM811在220℃左右即分解。
（4）镍含量升高会带来电解液匹配问题。高镍材料表面由于吸水变质产生的LiOH等物质会与电解液反应，造成容量衰减和安全问题。因此对高镍材料的改性技术是重要的发展方向。改性技术包括掺杂其他元素、表面包覆等，如用导电高分子或者无机材料在颗粒表面进行纳米包覆，可提高循环使用寿命，提高高温性能和安全性。
未来路线是NCM811还是NCA?二者均为高镍三元材料，性能比较接近，但存在以下几点不同：
（1）NCM811中钴含量为0.1，NCA中钴含量为0.15，这使得受钴高昂价袼的影响，NCA原料成本稍高；
（2）以铝代替锰，可以增强材料的稳定性，提高材料的循环性能，但是在制作过程中，由于铝为两性金属，不易沉淀，因此NCA材料制作工艺上存在比NCM811更高的壁垒；
（3）电池制造上，NCA对湿度等条件要求更加苛刻，电池生产存在技术门槛。
在目前看来，两种思路都是可行的，未来哪种材料的技术难关率先被克服而实现大规模量产，哪种材料便能率先占领市场。
推荐文章
-
聚力中俄科创，打通产研闭环。近日，中俄研究院宁波办事处授权揭牌仪式在湖州长兴隆重举行。院领导、各科室负责人、宁波办事处团队及两院同仁齐聚现场，共同见证研究院市场化布局升级、中俄跨境科创与检测服务一体化平台全新启航。 依托中俄研究院(俄罗斯圣彼得堡彼得大帝理工大学科教中心)平台，我院构建了双院协同科创格局:长兴院深耕新能源、功能材料、极寒储能及检测技术;杭州院专注生物中间体材料、智能脑控前沿技术。 宁波办事处将作为我院市场化对外核心窗口，主营对俄贸易拓展、材料电池检测、货源客户整合、两院科研项目市场化转化，实现以市场赋能科研、以科研支撑贸易。 新平台定位：科研赋能市场，贸易反哺技术 宁波办事处作为研究院对外市场化、产业化、国际化核心窗口，核心聚焦四大主营业务： ✅ 中俄跨境贸易拓展 依托口岸资源优势，打通中俄双向供需渠道，助力新材料、储能产品、科创设备跨境流通。 ✅ 材料与电池权威检测服务 承接研究院实验室技术能力，对外开展新能源材料、动力电池、功能材料性能检测、合规检测与技术咨询服务。 ✅&nb... -
近日，浙江中俄工程技术研究院、中俄新能源材料技术研究院院长、国家领军人才王庆生受邀到访合作高校—西安工业大学交流，并正式受聘为学校兼职教授。此次聘任标志着我院与西安工业大学在中俄联合科研、人才培养、成果转化方面的合作迈上新台阶。 来访期间，在高校领导的带领下，王庆生院长携俄方专家团队实地参观校史馆、材化学院中试基地、智造创新工场及新能源科研平台，深入了解学校军工材料办学特色与科研条件。 双方举行了专项座谈交流会。国际合作交流处处长牛同壮介绍了学校整体国际办学布局，圣彼得堡彼得大帝理工大学联合理工学院党委书记洪波围绕学院建设、中外人才联合培养等情况作详细分享；王庆生院长详细介绍两院平台建设、跨国科研团队布局及储能新材料研发、产业化落地成果。与会人员围绕新能源材料联合攻关、中俄联合实验室共建、硕博人才联合培养、成果落地转化等重点议题开展深入研讨。双方一致表示，将依托各自优势，搭建长效协同合作平台，推进多维度国际产学研合作，助力材料学科提质增效、储能关键材料自主创新与产业升级，实现校院...
-
近日，圣彼得堡国立理工大学（SPbPU）与中国理工院校的合作交流迎来高光时刻。该校师生不仅在2025年遂宁国际锂电池产业大会上展现了深厚的学术实力，更在杭州国际创业大赛中斩获佳绩，为中俄科技创新与人才培养合作注入新动能。 聚焦锂电前沿，共话产业未来 2025年遂宁国际锂电池产业大会在四川遂宁隆重召开。作为全球锂电领域的重要盛会，本次大会吸引了来自中国、俄罗斯、德国、印度、澳大利亚等国的400余名顶尖高校、科研机构及企业代表参会。SPbPU派出以谢尔盖·康德拉季耶夫教授、王庆生院长为首的代表团及中俄新材料与新能源工程研究院（NEMTRI）团队出席，深度参与行业前沿对话。 在“准固态电池前景”专题研讨会上，王院长发表主旨报告，阐述了准固态电池技术的突破方向与产业化路径。他同时介绍了SPbPU与NEMTRI在新材料研发领域的合作进展，引发与会嘉宾广泛关注。值得一提的是，SPbPU多名毕业生及研究生在王庆生教授指导下，依托中国高校...
