【原创】三元正极材料之为什么非要是三元？

中国粉体网讯  在三元材料出现之前，已经有了钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂等正极材料。这些材料存在多多少少的问题，为了改善这些材料的性能，研究者们尝试向其中加入其他物质，三元正极材料应运而生。

钴酸锂：具有理论比容量高、循环性能优异、放电平台平稳、工作电压高和合成工艺相对简单等优点，但是钴因价格较高、抗过充能力较差和污染较大等缺点制约了它的发展。

镍酸锂：虽然具有比容量较大的优点，但易生成非化学计量比的产物导致结构、热稳定性较差。

锰酸锂：锰具有资源丰富、价格便宜、安全性能高和环境友好等优点，这使得作为正极材料的锰酸锂具有良好的应用前景。锰酸锂有尖石结构的LiMn₂O₄及层状结构的LiMnO₂这两种结构，其中层状LiMnO₂材料的比容量较大，但存在结构不稳定的特点；尖晶石结构LiMn₂O₄具有价格低廉、安全性能优异、对环境友好、充放电电压高的优点，但存在高温下容量衰减较严重、比容量较低等缺点。

三元材料的协同作用

在三元材料中，过渡元素Ni、Co、Mn在3b位置无序排列，具有明显的三元协同效应，可以结合单一组分优点提高材料的整体性能，具有能量密度高、成本低、环境友好、市场前景与发展潜力较好的优势。

首先，Ni的存在有助于提高电池容量，但是Ni²⁺的半径（0.069nm）与Li⁺的半径（0.076nm）接近，所以Li⁺易与Ni²⁺混排造成锂析出，导致材料的循环性能变差。

掺入Co³⁺能够抑制Li⁺与Ni²⁺混排，有利于材料层状结构的稳定从而提高充放电容量及深度放电能力，并可对材料表面的氧化起到抑制作用，提高锂离子的脱嵌速度及高倍率放电性能。

Mn⁴⁺在材料充放电过程中不参与氧化-还原反应，整个电化学过程中保持良好的惰性，提高了材料结构的稳定性及材料的安全性能，但含量过高会使容量降低，破坏材料的层状结构。

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专家简介

唐有根，男，汉族，湖南涟源人，1962年10月出生，博士。现任中南大学二级教授、博士生导师，化学电源与材料研究所所长，化学电源湖南省重点实验室主任，金属燃料电池工程技术中心（筹）主任。

主要从事先进电池、新能源材料和应用电化学等方面的教学、科研和开发工作。承担10余项国家重点科技攻关项目、国家“863”高技术计划项目、国家自然科学基金项目、解放军武器装备高新工程攻关项目和企业重大招标与技术转让等项目，科研经费2000多万元。先后荣获省部级科技进步奖12项，获国家发明专利20项。出版专著和教材5部，在国内外重要期刊上发表学术论文300余篇，Ei和Sci检索论文200多篇。获2000年宝钢教育基金优秀教师奖和2014年鑫恒教育基金优秀教师奖。