先进功能材料之三元正极材料PPT课件
锂离子电池三元正极材料
立方紧密堆积，与过渡金属离子M构成MO6八面体，过充时
LixNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x<0.15)呈现一种核壳结构，核是菱形六面体结构，壳
是CdI2结构，使释放氧的温度提高，从而使该材料具有更好的热稳定性。
锂离子电池三元正极材料
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结构
• 在LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2三元材料中，Ni、Co、
• 2、在低温(－30 ℃)放电时，电压均下降较多，这主要是由于在低温 情况下Li+ 运动及传导能力严重减弱，造成电池内阻大幅上升，从而 导致电池放电压降较大，而高温状态下，Li+ 热运动能力及离子扩散 都得以增强，使得可以参与反应的Li+ 数量有所增加，同时也在一定 程度上降低了电池内阻，使电池放电压降减小，从而使电池表现出高 于常温状态的放电能力。
• Ni元素 Ni的存在有利于提高材料的可逆嵌锂容量，但过多的Ni会使材料的循 环性能恶化
• Mn元素 Mn不仅可以降低材料的成本，而且稳定结构，提高材料的稳定性和 安全性。Mn的含量太高会出现尖晶石相而破坏材料的层状结构。
锂离子电池三元正极材料
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概述
研究方向
• 寻求合适的Ni、Co、Mn配比 • 提高振实密度（NCM的压实密度低3.6g/cm3；
锂离子电池三元正极材料
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制备方法
• 化学共沉淀法： • 一般是把化学原料以溶液状态混合，并向溶液中加入适当的沉淀剂，使溶液中已经混
合均匀的各个组分按化学计量比共沉淀出来，或者在溶液中先反应沉淀出一种中间产 物，再把它煅烧分解制备出微细粉料。化学共沉淀法分为直接化学共沉淀法和间接化 学共沉淀法。直接化学共沉淀法是将Li、Ni、Co、Mn的盐同时共沉淀，过滤洗涤干燥 后再进行高温焙烧。间接化学共沉淀法是先合成Ni、Co、Mn三元混合共沉淀，然后 再过滤洗涤干燥后，与锂盐混合烧结；或者在生成Ni、Co、Mn三元混合共沉淀后不 经过过滤而是将包含锂盐和混合共沉淀的溶液蒸发或冷冻干燥，然后再对干燥物进行 高温焙烧。与传统的固相合成技术相比，采用共沉淀方法可以使材料达到分子或原子 线度化学计量比混合，易得到粒径小、混合均匀的前驱体，且煅烧温度较低，合成产 物组分均匀，重现性好，条件容易控制，操作简单，目前工业上已有规模生产。
三元材料现状与三元材料开发-PPT课件
陈化、洗涤、过滤、干燥
锂源
前躯体
混合、球磨
烧结、粉碎分级
LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2
共沉淀法制备LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2
LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的电化学性能及物理性能
河南思维能源材料有限公司研
制生产的球形或类球形三元正
极材料（TTM-812）用于锂离
子电池时，容量发挥稳定
三元素系
比容量高 放电倍率佳 安全性好 成本低
正极材料容量和电压关系图
三元材料（LiNixCoyMnzO2）特征
优点
比容量高 循环寿命长 安全性能好
价格低廉
缺点
平台相对较低 首次充放电效率低
三元协同 效应
Co，减少阳离子混合占位，稳定层状结构 Ni，可提高材料的容量 Mn，降低材料成本，提高安全性和稳定性
目前商业化三元系列材料
LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2
LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2
LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2
LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2具有和LiCoO2 十分 相似的α-NaFeO2 层状结构，其中过渡金 属元素Co、Ni、Mn 分别以+3 、+2 、+ 4 价态存在。锂离子占据岩盐结构的3a 位，镍、钴和锰离子占据3b 位，氧离子 占据6c 位。参与电化学反应的电对分别 为Ni 2+ / Ni 3 +、Ni 3 + / Ni 4 + 和Co 3 +/ Co 4 +。 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2在不同温度及倍率 下结构变化较小，所以材料具有很好的 稳定性。 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2由于采用镍锰取代 价格昂贵的钴，使材料具有相对低廉的 价格。
走进三元材料电池技术与应用ppt课件
3.共沉淀法制备LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2
Ni、Co、Mn离子混合液 沉淀剂 沉淀反应（PH、T、搅拌速度） 陈化、洗涤、过滤、干燥
锂源
前躯体
混合、球磨
烧结、粉碎分级
LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2
最早由Ohzuku 于2001年制备得到
4. 动力电池发展趋势
4.1 日产 Leaf
分析
1. 镍含量高 2. 材料整体活性高 3. 析氧温度 4. 体系匹配性 5. 使用条件
对策 1. 材料选择：如111，
具有最为稳定的层状 结构 2. 方案设计：掺杂锰 3. 电池设计：面密度， 隔膜选择（陶瓷隔膜） 4. 使用条件：限制电 压
2. 三元材料电池特性
2.4 三元材料的不足
(1)由于阳离子混排效应以及材料表面微结构在首次充电过程 中的变化，造成NMC的首次充放电效率不高，首效一般都小于 90%；
以使材料的结导晶。度更好，从
NMC的杂原子掺杂既可以而在增前驱加体材共料沉的淀稳阶定段进性行。湿法
掺杂，也可以在烧结阶段进行干法掺杂。
2. 三元材料电池特性
2.5 三元材料的改性
表面 包覆
氧化物：MgO、Al2O3、ZrO2和TiO2等 非氧化物：AlPO4、AlF3、LiAlO2、LiTiO2
2. 三元材料电池特性
类别 混合动力
纯电动
容量 4.2 Ah 33.1 Ah
目前全球销量最大的 纯电动汽车——日产 Leaf，其正极材料为 LMO掺LNO材料，
能量密度~140 wh/kg。
完全充电的情况下， 2012款能实现160公 里以上的 89%LMO-11%LNO
负极 HC NG-core
锂离子电池三元正极材料ppt
失效机制
容量衰减
明确三元正极材料的失效机制，为优化电池 的循环寿命提供理论支持。
研究三元正极材料在充放电过程中的容量衰 减机制，以为延长电池寿命提供技术支持。
08
参考文献
参考文献
文章标题：锂离子电池三元正极材料的研究进展 作者：张三、李四、王五 发表时间：2020年
THANKS
谢谢您的观看
，可以优化其晶体结构、提高电子导电性和离子扩散系数，进而提高
电池的电化学性能。
02
离子掺杂
通过引入具有特定价态的离子（如Li+、H+、Na+等）对三元正极材
料进行掺杂改性，可以调整其能带结构和电子分布，提高电化学反应
活性和稳定性。
03
共掺杂
将两种或多种元素或离子同时掺入三元正极材料中，实现多元素协同
锂离子电池的工作原理主要涉 及锂离子在正负极之间的迁移 和插入反应。在充电过程中， 锂离子从正极迁移到负极，放
电过程中则相反。
电压与能量
锂离子电池的正负极材料决定 了电池的电压和能量密度。
充放电效率
充放电效率取决于多个因素， 包括电池的化学性质、制造工
艺和使用条件等。
锂离子电池的正极材料
1 2
钴酸锂
三元正极材料是锂离子电池中的关键组成部分，直接影响电 池的性能和安全性。
研究目的和意义
研究三元正极材料的目的是为了提高锂离子电池的能量密 度、寿命和安全性，以满足日益增长的市场需求。
三元正极材料的研究对于推动电动汽车、储能系统等领域 的发展具有重要意义。
02
锂离子电池概述
锂离子电池的工作原理
电极反应
多样化储能需求
随着可再生能源的大规模并网和分布式能源的发展，储能需求多样化，而三元正极材料具 有高能量密度和良好的循环性能，适用于各种储能应用场景。
三元电池正极材料
三元电池正极材料三元电池正极材料是指三元锂离子电池（Li-ion Battery）中的正极活性材料，它是构成电池的重要组成部分之一。
三元电池正极材料的性能直接影响着电池的容量、循环寿命和安全性能。
三元电池正极材料通常采用锂镍锰钴氧化物（LiNiCoMnO2）作为主要活性物质，其化学式为Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2。
锂镍锰钴氧化物具有较高的比容量、较高的工作电压和较好的循环寿命，因此被广泛应用于电动汽车、便携式电子设备等领域。
三元电池正极材料的制备工艺通常包括材料的合成、材料的改性和材料的电极制备。
材料的合成是指通过化学方法将金属镍、钴、锰与锂源反应，得到锂镍锰钴氧化物。
在合成过程中，需要精确控制金属离子的配比、反应温度和反应时间，以保证合成出的锂镍锰钴氧化物具有良好的结晶性和均匀的颗粒分布。
材料的改性是指通过掺杂或包覆等方法对锂镍锰钴氧化物进行改良，以提高其电化学性能。
常见的改性方法包括金属离子掺杂、表面涂层和结构调控等。
金属离子掺杂可以调节材料的晶格结构和离子扩散性能，提高电极材料的循环稳定性和倍率性能。
表面涂层可以抑制材料与电解液的副反应，减少电池容量的衰减。
结构调控可以调整材料的晶格结构和离子扩散通道，提高电池的能量密度和循环寿命。
材料的电极制备是指将锂镍锰钴氧化物与导电剂和粘结剂混合，并涂覆在导电金属箔上，形成电极片。
电极片经过压实、切割和滚压等工艺步骤，最终形成正极材料。
在电极制备过程中，需要控制电极的厚度、孔隙度和粘结强度，以提高电极的电导率和容量利用率。
三元电池正极材料的性能对电池的整体性能有着重要影响。
首先，材料的比容量决定了电池的能量密度，即单位质量或单位体积的电池可以储存的电荷量。
锂镍锰钴氧化物的比容量约为150-200mAh/g，远高于传统的钴酸锂材料，因此三元电池具有较高的能量密度。
其次，材料的循环寿命决定了电池的使用寿命，即电池可以经历的充放电循环次数。
锂镍锰钴氧化物具有较好的循环稳定性，可以实现数千次的循环寿命。
锂离子电池三元正极材料(全面)正式版PPT文档
正极材料的结构特点
〔1〕层状或隧道结构， 以利于锂离子的脱嵌，且在锂离 子 脱嵌时无结构上的变化 ， 以保证 电极具有 良好 的可逆性 能；
( 2 ) 锂离子在其 中的嵌入 和脱 出量大 ， 电极 有较高的 容量 ，并且在锂离子脱嵌时， 点电击极添反加响标的题自由能变化不大， 以保证电池充放电电压平稳；
改性
(1)可以在LiNiO2正极材料 掺杂Co、Mn、Ca、F、Al等 元素，制成复合氧化物正极 材料以增强其稳定性，提高 充放电容量和循环寿命。
(2) 还可以在LiNiO2材料中掺杂P2O5 ； 点击添加标题
(3) 参加过量的锂，制备高含锂的锂镍氧化物。
锰酸锂
试验发现过渡金属代替 Co改善了正极材料结构的稳定性； (2) 还可以在LiNiO2材料中掺杂P2O5 ；
1000℃空气气
点击添加标题
氛下煅烧而成。
改性
为了提高 LiCoO2的容量，改善其循环性能、降 低本钱，人们采取了 掺杂和包覆的方法。具体采用以下几种方法：(1)用过渡金属和非过渡金属 (Ni、Mn、Mg、A1、In、Sn)，来替代LiCoO2的Co用以改善其循环性能 。试验发现过渡金属代替 Co改善了正极材料结构的稳定性；而掺杂非过 渡金属会牺牲正极材料的比容量；
为了提高 LiCoO2的容量，改善其循环性能、降 低本钱，人们采取了掺杂和包覆的方法。 (3) 参加过量的锂，制备高含锂的锂镍氧化物。 提高材料的导电并改善充放电循环性能 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2
( 3 ) 锂 离子在其中应有较大的扩散系数， 以使电池有 良 好 的快速充放 电性能。
钴酸锂
钴酸锂具有三种物相 ， 即层状结构 的 尖晶石结构的 和岩盐相 。目前，在锂离子电池 中，应用最多的是层状 的 LiCoO2 ，其理 论容量为 274mAh／g ， 实际容量在140—155 mAh／g 。其优点为 ：工作电压高，充放电电压平稳 ，适合大电流放电，比能量高 ， 循环性能好。缺点 是 ：实际比容量仅为理论容量的 50％左右， 钴的利用率低 ，抗过充电性能差点，击在添较加高标充题电电压下比容量迅 速 降低。另外，再加上钻资源匮乏，价格高的因素，因此 ，在很大 程度上减少了钴系锂离子 电池的使用范围，尤其是在电动汽车和 大型储藏 电源方面受到限制。
三元锂正极材料
三元锂正极材料三元锂正极材料是一种用于锂离子电池中的重要材料，具有高能量密度、良好的循环性能和较长的使用寿命。
本文将从三元锂正极材料的组成、特性及应用等方面进行阐述。
一、三元锂正极材料的组成三元锂正极材料主要由两种金属氧化物组成，即锂镍钴锰氧化物（LiNiCoMnO2）和锂镍钴铝氧化物（LiNiCoAlO2），其中锂镍钴锰氧化物是最常用的三元材料之一。
这两种材料由锂离子和金属离子组成，通过正极材料中的氧离子来实现电荷的传输和储存。
1. 高能量密度：三元锂正极材料具有较高的储能能力，能够提供更大的电荷容量和较长的续航里程，使得锂离子电池在电动车等领域得到广泛应用。
2. 良好的循环性能：三元锂正极材料具有较好的循环稳定性，能够保持较高的容量和性能稳定性，延长电池的使用寿命。
3. 快速充放电性能：三元锂正极材料具有较低的内阻和快速的离子传输速率，使得电池具有快速充放电的特性，满足人们对高功率应用的需求。
4. 耐高温性能：三元锂正极材料在高温环境下具有较好的稳定性，能够保持较高的电池性能，适用于高温地区和高温应用场景。
三、三元锂正极材料的应用三元锂正极材料广泛应用于锂离子电池中，特别是在电动车、储能设备和便携式电子产品等领域。
由于其高能量密度和良好的循环性能，三元锂电池成为电动汽车领域的首选电池技术。
与传统的铅酸电池和镍氢电池相比，三元锂电池具有更高的能量密度和更长的使用寿命，能够满足电动汽车对高性能电池的需求。
此外，三元锂电池还被广泛应用于储能设备，用于平衡电网负荷和储存太阳能和风能等可再生能源。
在便携式电子产品领域，三元锂电池也得到了广泛应用，如智能手机、平板电脑和笔记本电脑等。
三元锂正极材料作为锂离子电池的重要组成部分，具有高能量密度、良好的循环性能和较长的使用寿命等优点，广泛应用于电动车、储能设备和便携式电子产品等领域。
随着科技的不断进步，三元锂正极材料的研发和改进将进一步推动电池技术的发展，满足人们对高性能电池的需求。
镍钴锰三元层状正极材料
镍钴锰三元层状正极材料镍钴锰三元层状正极材料是新一代锂离子电池中的重要材料之一、它具有较高的比容量、优秀的循环稳定性和较低的价格，因此被广泛研究和应用。
本文将从材料的结构特点、电化学性能和应用前景等方面对镍钴锰三元层状正极材料进行详细介绍。
镍钴锰三元层状正极材料的结构特点主要体现在其层状结构和复合金属离子的存在。
层状结构指的是材料中各层之间的金属氧化物层通过键连接而形成，这种结构可以提供较大的离子传导通道，提高材料的离子扩散速度。
而复合金属离子由镍、钴和锰三种金属离子组成，这种组合可以提供更多的容量和更丰富的电化学反应类型，从而提高电池的能量密度和循环稳定性。
镍钴锰三元层状正极材料在电化学性能方面表现出众。
首先是其较高的比容量，镍钴锰三元层状正极材料通常具有较高的锂离子嵌入/脱嵌电位，可以提供更多的嵌入/脱嵌位置来容纳锂离子，从而提高了比容量。
其次，镍钴锰三元层状正极材料具有良好的电化学稳定性，能够承受大量的充放电循环而不发生结构变化或容量衰减。
这主要归因于其结构中金属氧化物层之间的键连接，可以有效阻止层状结构的剥离和材料的团聚。
此外，镍钴锰三元层状正极材料还具有较高的导电率和较低的内阻，有利于电荷传输和降低电池的内阻，提高电池的性能。
在应用方面，镍钴锰三元层状正极材料在锂离子电池中有着广泛的应用前景。
首先是其在电动汽车和混合动力汽车中的应用。
镍钴锰三元层状正极材料具有较高的比容量和较低的成本，可以提高电动汽车的续航里程和降低电池成本，是实现电动汽车商业化的重要材料。
其次是其在移动电源和储能系统中的应用。
随着移动电子设备的普及和可再生能源的开发利用，储能技术迫切需要提高，而锂离子电池作为最具潜力的储能技术之一，镍钴锰三元层状正极材料的应用将会大大推动储能技术的发展。
此外，镍钴锰三元层状正极材料还可以在电池中与其他材料配对，形成高性能的多元复合材料，进一步提高电池性能。
总的来说，镍钴锰三元层状正极材料具有较高的比容量、优秀的循环稳定性和较低的价格，是新一代锂离子电池中的重要材料。
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锂电池（锂金属电池） 负极：金属Li 正极：MnO2、TiS2
Li + MnO2 LiMnO2
锂离子电池
负极：石墨、金属氧化物、钛酸盐等
LiMO2层状材料
正极： 橄榄石结构LiFePO4
尖晶石结构LiMnO2
、三元、富锂锰
特点：以电子传递产生电流， 属于一次电池。
易产生枝晶，戳穿隔 膜导致电池短路，发生爆炸
2.3 性能缺陷及改进
锂镍混排：Ni2+（0.069nm)与Li+(0.076nm)的 半径接近，易发生混排现象：
① Ni2+进入锂层，占据Li+位置。 ② Li+进入过渡金属层，占据Ni2+位置。
初始容量较高，但衰减很快，循环性能差。
Li+来回镶嵌，致使体积反复膨胀、收缩，导致层状结构 容易崩塌。
LiNixCoyMn1-x-yO2 (NCM) 或
2.1 三元正极材料
LiNixCoyAl1-x-yO2 (NCA)
——｛ 传统正极材料
LiMO2层状材料 橄榄石结构LiFePO4 尖晶石结构LiMnO2
常用过渡金属元素M： Ni、Co、Mn 。
LiCoO2：导电性、循环性能良好，容量较低，热稳定性不高，且Co元 素对环境有害。
先进功能材料
锂离子电池三元正极材料
姓 名：***** 学 号：****** 专 业：******
报告内容
1、锂离子电池工作原理 2、三元正极材料结构和性能 3、三元正极材料研发运用现状 4、国际应用前沿及发展展望
锂离子电池特点：
（1）能量密度高、阻抗小 （2）循环寿命长，电压平台高 （3）充电时间快，容量高
17年中国正极材料成本占比及三元材料产值分析
此外，三元材料逐渐朝“高镍”方向发展，622型 接近初步量产化，811型正处于研究热点。
4、国际应用前沿及发展展望
（1）消费电池（小型便携设备）
（2）动力电池
（3）储能电池
Thank you
Calcination
(850℃ for 20h)
3、三元正极材料研发运用现状
三元材料的核心专利主要掌握在美国3M公司手里，阿贡国家实 验室(ANL)也申请了一些三元材料专利。
国际上三元材料产量最大的是比利时Umicore，并且Umicore和3M 形成了产研联盟。
此外，韩国L&F，日本Nichia(日亚化学)，Toda Kogyo( 户田工 业) ，德国BASF也是国际上主要的三元材料生产厂家。
2.4 制备工艺示意图
+
Ni(CH3COO)2、 Co(CH3COO)2、 Mn(CH3COO)2
mixed solution
+
LiOH
Co-pricipitation
NixCoyMn1-x-y (OH) 2
pure oxygen
Li2(OH)3
LiNixCoyMn1-x-y O2
O 2 /N 2 = 50% : 50% O 2 /N 2 = 21% : 79% O 2 /N 2 = 5% : 95%
LiNMinOO2：2：容循量环高稳，定但性衰、减储较存快性，能安较全差性，能但相成对本较较差低。，安全性能较高。
2.2 结构与性能（高镍）
LiNixCoyMn1-x-yO2 （x ≥ 0.5） Ni：提高正极材料的容量。
Co：改善材料的循环性能，减缓容量衰退。
特M点n：：维三持元层协状同结效构应稳—定—性。容量高、循环寿命长、成本适中、 毒性小、安全性能稳定
（4）过度充放电耐受度差 （5）安全性能需要额外保障 （6）成本相对较高 注：
“记忆效应”：一般只会发 生在镍镉电池，镍氢电池较少， 锂电池则无此现象。 由于电池 重复的部分充电与放电不完全 所致，使电池内容物产生结晶， 使电池暂时性的容量减小，导 致使用时间缩短。
锂电池Vs 锂离子电池
广义上“锂电池”可分为锂电池、锂离子电池。