鋰離子電池正極材料簡介:

目前鋰離子電池正極材料主要可以分為鈷酸鋰 (LiCoO₂)、鎳酸鋰 (LiNiO₂)、錳酸鋰 (LiMn₂O₄)、三元材料( LiNi_XCo_yMn_zO₂)與磷酸亞鐵鋰 (LiFePO₄)等五大系統:

1.      LiCoO₂  (鈷酸鋰)

LiCoO₂為層狀(Layer)結構，1980年首先提出，其具有274 mAh g^-1的理論電容量。自1990年Sony公司開發成功後，是目前市售鋰離子電池最廣泛採用的正級材料，此材料於充放電截止電壓4.2及2.7 V，充放電速率0.2 C測試下，實際可用電容約為140 mAh g^-1。該材料優點為導電性佳，製程簡單 ; 缺點為金屬鈷為戰略性物質，價格昂貴，亦有環境污染及毒性問題，加上過多的鋰離子於材料嵌入/釋出時會發生六方晶相(Hexagonal)轉變為單斜晶相(Monoclinic)，導致晶體上的c軸膨脹約原來的2.6 %，使結構不穩。此外，層狀結構的正極材料，往往會因為充電電壓過高，如超過4.3 V，將使整個結構塌陷，因此，LiCoO₂實際可用電容量只有理論值的一半。

2.      LiNiO₂ (鎳酸鋰)

LiNiO₂跟LiCoO₂同屬於層狀結構，其電容量高，於充放電4.2至2.5 V間實際可用電容量約為190-210 mAh g^-1，且鎳價格較鈷便宜。但由於LiNiO₂製備時，三方晶系的LiNiO₂容易產生非電活性立方晶系的LiNiO₂，特別是當熱處理溫度大於900℃時，LiNiO₂將全部以立方晶系形式存在 ; 此外，合成LiNiO₂過程中Ni離子價數控制不易，導致材料量產困難度提高，加上LiNiO₂材料熱穩定不佳，於200 ℃左右便開始熱分解，比起LiCoO₂、LiMn₂O₄與LiFePO₄等材料，其分解溫度是最低的，有安全性的顧慮，所以LiNiO₂的實際應用仍受到限制。

3.      LiMn₂O₄ (錳酸鋰)

LiMn₂O₄為尖晶石結構，因結構上屬於三度空間，允許鋰離子完全地釋出，不像兩度空間之層狀結構，有結構崩塌的問題，所以在過充電時，較LiCoO₂與LiNiO₂更為安全。此外，LiMn₂O₄製備簡單，對環境污染小，錳來源豐富而價格便宜，因此LiMn₂O₄曾經一度被視為下一代鋰離子電池的主流。但LiMn₂O₄電容量不高，於充放電截止電壓4.0及3.0 V，電流充放電速率為0.2 C條件下，實際可用電容量約只有90-120 mAh g^-1，加上高溫時Mn²⁺易溶於電解質中，深度放電狀態時，會有John-Teller效應，造成材料結構由八面體晶格轉變為四面體，使LiMn₂O₄電容量衰退。雖然學界或業界紛紛提出改善LiMn₂O₄電化學性質的方法，諸如材料表面改質與掺雜等技術，但整體而言，仍未能完全解決LiMn₂O₄電容量衰退的問題。

4.      LiNi_xCo_yMn_zO₂ (三元材料)

二十一世紀初，日本學者Ohzuku及其研究團隊，為了開發具備新穎及更廣泛用途的鋰離子電池正極材料，以具有α-NaFeO₂結構形式的化合物為出發點，結合不同的3d過渡金屬元素，經過多次組合嘗試後，於2001年首度發表以固態法成功合成之LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂正極材料, 該材料綜合了鈷酸鋰、鎳酸鋰和錳酸鋰三類材料的優點，實際可用電容量150~200 mAh/g, 相比鈷酸鋰, 具有較低的價格，但其應用受到鈷價格的影響，當鈷價格處於高位時，三元材料價格較鈷酸鋰低，具有較強的市場競爭力；但當鈷價格處於低位時，三元材料相較於鈷酸鋰的優勢就大大減小。目前，鈷酸鋰材料存在被三元材料替代的發展大趨勢,  但三元材料為層狀結構, 因此仍存在著安全上的疑慮。

LiFePO₄為橄欖石結構，與LiMn₂O₄同為三度空間結構，此材料於1997年由美國德州大學Padhi及Goodenough學者等人首先提出，其原物料價格低，且不具毒性，擁有更好的熱穩定性，因此是近年來熱門的動力鋰離子正極材料之一，然而其振實密度低 (1.0 g cm^-3)、電子導電度低 (10^-9-10^-10 S cm^-1)及鋰離子擴散速率低(10^-10-10^-11 cm² s^-1)，且LiFePO₄合成過程中，因Fe²⁺易氧化成Fe³⁺，需於惰性或還原氣氛下合成，故合成不易，量產時易有批次穩定性的問題，但本公司以多年的研發經驗，已大幅解決上述各種問題。