鋰錳電池正極材料是鋰離子電池正極材料。近年來，世界新能源汽車市場滲透率快速提升，動力電池需求旺盛。與現階段常見的鋰離子電池正極材料相比，鋰錳電池正極材料比容量高、電池壽命強，發展潛力巨大。
作為下一代新能源汽車鋰離子電池有前途的正極材料。鋰錳電池正極材料具有較高的放電比容量，是已知鋰離子電池正極材料中放電比容量最高的產品之一。遠高于市場上常見的三元材料和磷酸鐵鋰正極材料。
而且，鋰錳電池正極材料中鈷、鎳的含量僅為三元材料的30%左右，還可以不含鈷，進一步降低其成本。其安全性能也高于三元材料電池，因此成為非常有潛力的下一代鋰離子電池正極材料。
鋰錳電池的正極材料是由什么組成的
鋰錳電池正極材料具有放電比容量高、放電電壓高、能量密度高、成本低、安全性高、循環壽命長等優點，未來市場潛力巨大。一些科學家針對鋰錳電池正極材料首次不可逆容量降低、循環過程中電壓衰減和析氧等關鍵問題進行了研究，取得了一系列研究成果。
科學家們總結了鋰錳電池正極材料研究的最新進展，從不同層面解釋了鋰錳電池材料的特性和行為。我國鋰錳電池正極材料技術研究正在不斷深入，當現有瓶頸問題得到解決后，有望實現產業化發展。
鋰錳電池材料為LiMnO·LiMO，是一種以LiMnO(M通常為Ni、Co、Mn，或Ni、Co、Mn的二元或三元層狀材料)為基礎的復合正極材料。與LiMnO4或純層狀LiMnO正極材料相比，此類材料具有更高的Li/M摩爾比，通常稱為層狀鋰錳電池化合物。研究人員先后研究了LiMnO·LiCoO、Li2MnO·LiNiCoO、xLiMnO·(1-x)LiNi.Mn.O、xLiMnO·(1-x)LiNi/Co/Mn/O等不同體系。
典型富鋰材料的充放電
在鋰錳電池材料的充電過程中，當第一次充電電壓小于 4.5V 時，對應的是層狀材料 LiMO 的充電過程，而大于 4.5V 的充電高原則表示一種新的充放電機制，對應的是錳酸鋰的充電過程。上文討論了 LiMO 的充電機制，下文將主要討論 LiMnO 的充電機制。
LiMnO的充電機制主要包括：氧解吸、質子交換以及兩種機制的混合。根據氧脫出機理，充電至4.5V以上后，LiMnO中的Li從晶格中逸出，而O則離開主晶格并被氧化，相當于LiO脫出并留下氧空位。
這包括電化學過程和化學過程兩個步驟：電化學過程是LiMnO脫附Li，同時失去電子，生成中間態Mn。該化學過程是隨后從不穩定的錳中釋放出氧氣。質子交換機制認為LiMnO與電解液中分解的H發生置換反應。一種觀點認為LiMnO中的氧離子沒有從晶格中逸出。
鋰錳電池正極材料研究進展
據介紹，LLOs 是一種新型的鋰電池正極材料，能發生陰陽離子之間的可逆氧化還原反應，放電比容量遠高于高壓鈷酸鋰和高鎳三元正極材料。密度鋰電池，尤其是全固態鋰金屬電池具有巨大的應用潛力。目前，陰離子氧的氧化還原反應會導致鋰正極材料中生成非穩態的 O 2p 空穴和氧，嚴重降低了電池的穩定性、循環壽命和安全性能，成為制約高比能、高安全固態電池技術發展的瓶頸。
鋰錳電池正極材料的能量密度
在已知的正極材料中，鋰錳電池正極材料的放電比容量超過250mAh/g，幾乎是商用正極材料實際容量的兩倍;同時，這種材料以更便宜的錳為主，貴金屬含量較少，與常用的鈷酸鋰和鎳鈷錳三元正極材料相比，不僅成本低，而且性能優良在安全的情況下。
因此，鋰錳電池正極材料被視為下一代鋰動力電池的理想選擇，是鋰電池突破400Wh/kg，甚至500Wh/kg的關鍵技術。富鋰正極材料，如鋰錳電池正極材料(xLi2MnO3(1–x)LiTMO2，TM=Ni、Mn、Co等)，具有極高的理論比容量(>350mAh/g)和可逆比容量容量(>250 mAh/g)，被認為是下一代鋰離子電池最有前途的正極材料之一。
其高容量的來源不僅是由過渡金屬離子(通常是Ni2+/Ni4+、Co3+/Co4+、少量Mn3+/Mn4+)組成的氧化還原電對，而且是獨特的陰離子氧化還原電對(O2-/O-/氧氣)。此外，鋰錳電池正極材料減少了昂貴的鈷和鎳的用量，有效降低了生產成本。
鋰錳電池正極材料的優點
在已知的正極材料中，鋰錳電池正極材料的放電比容量超過 250 mAh/g，幾乎是商用正極材料實際容量的兩倍;同時，該材料以更廉價的錳為主，貴金屬含量少，與常用的鈷酸鋰、鎳鈷錳三元正極材料相比，不僅成本低，而且安全性好。
因此，鋰錳電池正極材料被認為是下一代動力鋰電池的理想選擇，是鋰電池突破 400 Wh/kg 甚至 500 Wh/kg 的關鍵技術。富鋰正極材料，如鋰錳電池正極材料(xLi2MnO3(1-x)LiTMO2，TM = Ni、Mn、Co 等)，具有極高的理論比容量(>350 mAh/g)和可逆比容量(>250 mAh/g)，被認為是下一代鋰離子電池最有前途的正極材料之一。
其高容量的來源不僅是由過渡金屬離子(通常為 Ni2+/Ni4+、Co3+/Co4+、少量 Mn3+/Mn4+)組成的氧化還原耦合，還有獨特的陰離子氧化還原耦合(O2-/O- /O2)。此外，鋰錳電池正極材料減少了昂貴的鈷和鎳的用量，有效降低了生產成本。
鋰錳電池發展仍需時日
雖然鋰錳電池的正極材料在放電比容量方面具有絕對優勢，但要將其應用于動力鋰電池，必須解決以下關鍵技術問題：一是降低首次不可逆容量損失;二是提高速率性能和循環壽命。三是抑制循環過程中的電壓衰減。
目前，解決這一材料問題的手段有很多：涂層、酸處理、摻雜、循環前處理、熱處理、液相或氣相后處理等都對改善鋰錳電池材料的電化學性能有一定的作用，但不同的改性方法所產生的改善效果會有所不同。目前，單一的改性方法還不能從根本上解決鋰錳電池材料所面臨的問題。
因此，有必要綜合運用多種改性方法，開發新的結構(如單晶結構、復合結構、成分控制和梯度結構等)來解決鋰錳電池材料所面臨的問題。此外，前驅體的結構和成分設計也非常重要。不僅要考慮材料的容量，還要考慮密度的提高，實現容量與密度的 "蹺蹺板 "平衡。從下游電池廠和汽車廠的需求來看，無鈷化是未來的發展趨勢。
今年，當升科技發布了新型鋰錳電池材料，解決了七大關鍵問題，具有高容量、高循環及穩定性等特點。鋰錳電池材料的成功應用還需要開發與之相匹配的穩定電解液體系。下游企業將攜手合作，不斷創新，實現共贏。
鋰錳電池材料新希望
基于非恒溫燒結技術，有助于 LLOs 陰離子氧的穩定，實現鋰電池優異的循環性能 還原反應，其放電比容量(≥ 280 mAh g-1)遠高于高壓鈷酸鋰和高鎳三元正極材料。當超過 550 Wh kg-1 時，其應用潛力巨大。)目前，由于陰離子氧的氧化還原反應，LLOs 會產生不穩定的 O2p 空穴和 O2，嚴重降低了電池的穩定性、循環壽命和安全性能，已成為制約高比能、高安全固態電池技術發展的瓶頸問題。
此外，全固態電池中 LLOs 材料性能快速衰減的微觀機理尚未探明。因此，開發創新的材料制備技術以解決其瓶頸問題，探索先進的表征技術以闡明鋰錳電池在全固態電池中性能衰減的微觀機理這一關鍵科學問題，是推動鋰錳電池材料發展的重要前提。
傳統的鋰離子電池正極材料(如鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、三元層狀等)通過金屬陽離子的氧化還原實現化學儲能，已不能滿足社會發展對電池高能量密度日益增長的需求。鋰錳電池層狀正極材料(富鋰富錳，LMR)是在材料中的兩個LiTMO2(TM=Ni、Co、Mn)相和Li2MnO3相之間插層，其過渡金屬層對鋰進行儲存和脫嵌。
離子增加了鋰的存儲容量，金屬陽離子和氧陰離子的氧化還原可以同時使用，從而大大提高了正極材料的能量密度，但其固有的第一周不可逆容量損耗和持續的電壓衰減導致電池能量恒定。這種損耗阻礙了這種材料的大規模工業應用。
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湖北 - 武漢
2025年07月23日 ~ 26日
