锂电池磷酸铁锂正极材料结构和发展现状

锂电池磷酸铁锂正极材料结构和发展现状。随着能源危机和环境危机的出现，锂离子动力电池成为当前研究的热点。磷酸铁锂因其具有较高的理论容量、循环性能优良、安全性高、成本低廉和环境友好等诸多优点而备受关注。本文小编将来分析锂电池磷酸铁锂正极材料结构和发展现状。

锂电池磷酸铁锂正极材料结构

正极材料主要包括LCO，尖晶石LMO，橄榄石LFP等晶体结构。大多数正极材料研究集中在过渡金属氧化物和聚阴离子化合物上，因为它们具有较高的电压和较高的容量。

磷酸铁锂电池正极材料具有正交的橄榄石结构，pnma空间群。LiFePO4结构在c轴方向上是链式的，1个PO4四面体与1个FeO6八面体、2个LiO6八面体共边，由此形成三维空间网状结构。

从结构上看，PO4四面体位于FeO6层之间，这在一定程度上阻碍了锂离子的扩散运动。此外，共顶点的FeO6八面体具有相对较低的电子传导率。这使得磷酸铁锂只能在小的放电倍率下充放电，而在大倍率放电条件下，内部的锂离子来不及迁出，电化学极化就会很大。

磷酸铁锂电池正极材料的现状

目前已大规模市场化应用的主要包括磷酸铁锂、锰酸锂和三元材料的镍钴锰酸锂和镍钴铝酸锂三种类型。其中，磷酸铁锂和锰酸锂材料在基础研究方面已没有太大技术突破空间，其能量密度和主要技术指标已接近应用极限。从技术进步的角度看，三元材料由于具有高能量密度、较长循环寿命、较高可靠性等优点，逐渐成为动力锂电正极材料的主流。

2016年全球锂电池出货量达到118GWh，其中动力锂电池的出货量由2011年的1.08GWh上升至2016年的40.52GWh，市场占比由2.32%上升至34.30%。

2017年，全球锂离子电池的出货量达到143.5Gwh，其中汽车动力锂电池的出货量达到58.1Gwh，储能锂电池出货量达到11.0Gwh，其他传统领域锂电池出货量达到74.4Gwh。

受锂电池及其下游行业快速发展的驱动，磷酸铁锂电池正极材料增长较为迅猛，2016年全球锂离子电池正极材料销量达到31.74万吨，同比增长42.1%，2011-2016年年均复合增长率为32.17%。从应用结构看，锂电正极材料市场可以细分为小型锂电正极材料市场和动力锂电正极材料市场。小型锂电正极材料主要包括钴酸锂、三元材料和锰酸锂，而动力锂电正极材料主要为锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料。

目前为止，磷酸铁锂电池正极材料已经占据了锂离子电池正极市场份额的8%，而且近几年随着国内几大正极材料生产企业的产能扩大，磷酸铁锂的市场增速加快，相信不久磷酸铁锂的市场份额将会越来越大，因为根据前面分析，钴酸锂的市场最终会被其他三种材料所吞噬，在以后的正极材料市场上将会出现磷酸铁锂、锰酸锂和三元材料三足鼎立的局面，磷酸铁锂市场也会伴随着电动车行业的兴起大放异彩。

阻碍磷酸铁锂发展的问题

虽然磷酸铁锂拥有诸多优点，但是也存在不容忽视的根本性缺陷，小编归结起来的几点关于磷酸铁锂存在的相关问题再次重申，以正视听。

1、在磷酸铁锂制备时的烧结过程中，氧化铁在高温还原性气氛下存在被还原成单质铁的可能性。单质铁会引起电池的微短路，是电池中最忌讳的物质。这也是日本一直不将该材料作为动力型锂离子电池正极材料的主要原因。

2、磷酸铁锂电池存在一些性能上的缺陷，如振实密度与压实密度很低，导致锂离子电池的能量密度较低。低温性能较差，即使将其纳米化和碳包覆也没有解决这一问题。

3、材料的制备成本与电池的制造成本较高，电池成品率低，一致性差。磷酸铁锂的纳米化和碳包覆尽管提高了材料的电化学性能，但是也带来了其它问题，如能量密度的降低、合成成本的提高、电极加工性能不良以及对环境要求苛刻等问题。

4、知识产权问题。目前磷酸铁锂的基础专利被美国德州大学所有，而碳包覆专利被加拿大人所申请。这两个基础性专利是无法绕过去的，如果成本中计算上专利使用费的话，那产品成本将会进一步提高，这对国内的企业将是致命的。

短期来看，中国企业在中国国内研发、生产磷酸铁锂正极材料的风险不是很大，但未来要走向世界市场必将面临严峻的专利考验。

中国正极材料行业在全球锂电发展过程中备受关注，一方面是部分中国锂电正极材料生产商在过去数年与国际锂电厂商磨合过程中技术水平不断提升，已逐渐接近国际正极材料同行，中国动力电池的产业化发展已经具备了国产化动力电池材的支持；另一方面中国新能源汽车及动力磷酸铁锂电池发展获得了举世瞩目的成就，一旦市场需求增大，必将进一步推动中国磷酸铁锂电池正极材料产业的加速发展。