【干货】一文读懂三元锂动力电池体系

　　众所周知，以三元材料作为正极材料的动力锂电池近年来凭借其容量高、循环稳定性好、成本适中等重要优点，逐渐在动力电池行业中占据愈发重要的地位。

　　在新能源汽车中，三元锂电池的占有率超过了磷酸铁锂电池成为一大亮点，包括吉利、奇瑞、长安、众泰、中华等大部分国内主流车企都纷纷推出采用三元动力电池的新能源车型。例如北汽EV系列、奇瑞eQ、艾瑞泽3EV、江淮iEV4、众泰云100、包括吉利帝豪EV等。那么究竟三元材料电池愈发强势的原因是什么呢？

　　在之前的文章《手把手带你认识锂离子电池》一文中有提到，锂离子电池的性能主要取决于其正极材料，而且锂离子电池也通常以正极材料来命名。市场上所说的三元材料电池大多是指以镍钴锰为正极材料的锂离子电池。

　　人们发现，镍钴锰三元正极材料中镍钴锰比例可在一定范围内调整，并且其性能随着镍钴锰的比例的不同而变化。因此，出于进一步降低钴镍等高成本过渡金属的含量，以及进一步提高正极材料的性能的目的，世界各国在镍钴锰三元材料的研究和开发方面做了大量的工作，提出了多个具有不同镍钴锰比例组成的三元材料体系，包括333，523，811 体系等。一些体系已经成功地实现了工业化生产和应用。

　　1.镍钴锰三元正极材料结构特征

　　镍钴锰三元材料通常可以表示为LiNixCoyMnzO2 ，其中x+y+z=1。

　　依据3 种元素的摩尔比（x∶y∶z 比值）的不同，分别将其称为不同的体系，如组成中镍钴锰摩尔比（x∶y∶z）为1∶1∶1 的三元材料，简称为333 型；摩尔比为5∶2∶3 的体系，称之为523 体系等。

　　333 型、523 型和811 型等三元材料均属于六方晶系的α-NaFeO2 型层状岩盐结构，如图1。

图1 α-NaFeO2 型层状岩盐结构图

　　镍钴锰三元材料中，3 种元素的的主要价态分别是+2 价、+3 价和+4 价，Ni 为主要活性元素。其充电时的反应及电荷转移如下

　　正极反应 LiMO2—→ Li1-xMO2 + xLi+ + xe-

　　负极反应 n C + x Li+ + x e- —→ LixCn

　　电池总反应 LiMO2 + n C —→ Li1-xMO2 + LixCn

　　一般来说，活性金属成分含量越高，材料容量就越大，但当Ni的含量过高时，会引起Ni2+占据Li+位置，加剧了阳离子混排，从而导致容量降低。Co也是活性金属，但能起到抑制阳离子混排的作用，从而稳定材料层状结构；Mn则不参与电化学反应，可提供安全性和稳定性，同时降低成本。

　　2.不同体系镍钴锰三元锂离子电池的特点

　　当前市场上存在许多镍钴锰三元体系电池，例如523，111，811体系等等，图2能帮助我们较直观的了解各体系的特点及相互之间的差异。

图2 镍钴锰三角模型规律图

　　作为车载动力电池，市场对其能量密度提出了越来越严苛的要求。但鱼和熊掌不可兼得，由图2可知，若想获得高能量密度且安全稳定的动力电池，必须增加Ni及Co在三元材料中的比重。伴随而来的，是由Ni的活泼特性带来的安全隐患及Co资源缺乏带来的成本增加。

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