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在目前的商业化生产的锂电池中，正极材料的成本大约占整个电池成本的 40％左右，正极材料价格的降低直接决定着锂电池价格的降低。对锂动力电池尤 其如此。比如一块手机用的小型锂电池大约只需要 5 克左右的正极材料， 而驱动 一辆电动汽车用的锂动力电池可能需要高达 500 千克的正极材料。衡量锂电池正 极材料的好坏，大致可以从以下几个方面进行评估：（1）正极材料应有较高的氧化还原电位，从而使电池有较高的输出电压；（2）锂离子能够在正极材料中大量的可逆地嵌入和脱嵌， 以使电池有高的容量；（3）在锂离子嵌入 /脱嵌过程中，正极材料的结构应尽可能不发生变化或小发 生变化，以保证电池良好的循环性能；（4）正极的氧化还原电位在锂离子的嵌入 /脱嵌过程中变化应尽可能小，使电 池的电压不会发生显著变化，以保证电池平稳地充电和放电；（5）正极材料应有较高的电导率，能使电池大电流地充电和放电；（7）锂离子在电极材料中应有较大的扩散系数，便于电池快速充电和放电；LiFePO4在1997年由Goodenough首次报道可以作为锂离子电池正极材料。 LiFePO4为橄榄石型结构，为正交晶系，属Pbmn空间群，Fe与Li形成FeO6和LiO6八面体，P形成PO4四面体。与c轴平行的Li+的为连续直线链，可以沿着c轴形成二维扩散运动，自由地脱出或嵌入。理论容量为170 mAh/g。具有价格低廉、电化学性能好、对环境友好无污染等优点。 在充放电过程中，Li+的可逆嵌脱，对应于Fe3+/Fe2+的互相转换，电压平台在3.5 V（vs.Li+/Li），且平台较长。由于P-O键键强非常大，所以PO4四面体很稳定，在充放电过程中起到结构支撑作用，因此LiFePO4有很好的抗高温和抗过充电性能，同时由于LiFePO4和完全脱锂状态下的FePO4的结构很相近，所以LiFePO4的循环性能也很好。LiFePO4 →FePO4 + Li+ （1）在LiFePO4结构中，相邻的FeO6八面体通过共顶点连接（与LiNiO2和LiCoO2，LiMn2O4中存在的共棱或共面的MO6八面体连续结构不同，共顶点的八面体电子导电率较低），故电子导电率低； （2）PO4四面体位于FeO6八面体之间，这在一定程度上阻碍了Li+的扩散运动，同时由于稳定的PO4四面体使得Li+移动的自由体积小，使脱嵌运动受到影响； （3）在充放电过程中，脱嵌锂到一定程度时，锂离子在LiFePO4/FePO4两相界面的扩散受扩散控制。钴酸锂：在目前商业化的锂电池中基本上选用层状结构的钴酸锂作为正极材料。 其理 论容量为 274mAh/g，实际容量为 140mAh/g左右，也有报道实际容量已达 155mAh/g。该正极材料的主要优点为：工作电压较高（平均工作电压为3.7V）、充放电电压平稳，适合大电流充放电，比能量高、循环性能好，电导率高，生产 工艺简单、容易制备等。主要缺点为：价格昂贵，抗过充电性较差，循环性能有待进一步提高
镍酸锂：用于锂电池正极材料的镍酸锂具有与钴酸锂类似的层状结构。 其理论容量为 274mAh/g，实际容量已达190mAh/g〜210mAh/g。工作电压范围为 2.5〜4.2V。 该正极材料的主要优点为： 自放电率低， 无污染， 与多种电解质有着良好的相容 性，与钴酸锂相比价格便宜等。 但镍酸锂具有致命的缺点： 镍酸锂的制备条件非 常苛刻，这给镍酸锂的商业化生产带来相当大的困难； 镍酸锂的热稳定性差， 在 同等条件下与钻酸锂和锰酸锂正极材料相比，镍酸锂的热分解温度最低（200℃左右），且放热量最多，这对电池带来很大的安全隐患；镍酸锂在充放电过程中 容易发生结构变化， 使电池的循环性能变差。 这些缺点使得镍酸锂作为锂电池的 正极材料还有一段相当的路要走。锰酸锂：用于锂电池正极材料的锰酸锂具有尖晶石结构。其理论容量为 148 mAh/g， 实际容量为90〜120 mAh/g。工作电压范围为3〜4V。该正极材料的主要优点为：锰资源丰富、价格便宜，安全性高，比较容易制备。缺点是理论容量不高；材料在电解质中会缓慢溶解，即与电解质的相容性不太好；在深度充放电的过程中，材料容易发生晶格畸变， 造成电池容量迅速衰减， 特别是在较高温度下使用时更 是如此。为了克服以上缺点，近年新发展起来了一种层状结构的三价锰氧化物 LiMnO2。该正极材料的理论容量为 286 mAh/g，实际容量为已达 200 mAh/g左 右。工作电压范围为 3 〜 4. 5V 。虽然与尖晶石结构的锰酸锂相比，LiMnO2在理论容量和实际容量两个方面都有较大幅度的提高， 但仍然存在充放电过程中结构不稳定性问题。在充放电过程中晶体结构在层状结构与尖晶石结构之间反复变 化，从而引起电极体积的反复膨胀和收缩， 导致电池循环性能变坏。 而且 LiMnO2 也存在较高工作温度下的溶解问题。解决这些问题的办法是对 LiMnO2 进行掺杂和表面修饰。目前已经取得可喜进展。该材料具有橄榄石晶体结构， 是近年来研究的热门锂电池正极材料之一。 其 理论容量为170 mAh/g，在没有掺杂改性时其实际容量已高达110 mAh/g。通过对磷酸铁锂进行表面修饰，其实际容量可高达 165 mAh/g，已经非常接近理论容 量。工作电压范围为 3.4V 左右。与以上介绍的正极材料相比，磷酸铁锂具有高 稳定性、更安全、更环保并且价格低廉。磷酸铁锂的主要缺点是理论容量不高， 室温电导率低。基于以上原因，磷酸铁锂在大型锂电池方面有非常好的应用前景。 但要在整个锂电池领域显示出强大的市场竞争力，磷酸铁锂却面临以下不利因 素：（1）来自 LiMn 2O4、LiMnO 2、LiNiMO 2正极材料的低成本竞争；（2）在不同的应用领域人们可能会优先选择更适合的特定电池材料；（4）在高技术领域人们更关注的可能不是成本而是性能，如应用于手机与笔记 本电脑；（5）磷酸铁锂急需提高其在 1C 速度下深度放电时的导电能力，以此提高其比容量。（ 6）在安全性方面，钴酸锂代表着目前工业界的安全标准，而且镍酸锂的安全 性也已经有了大幅度的提高， 只有磷酸铁锂表现出更高的安全性能， 尤其是在电动汽车等方面的应用，才能保证其在安全方面的充分竞争优势。尽管从理论上能够用作锂电池正极材料种类很多， 但目前在商业化生产的锂 电池中最广泛使用的正极材料仍然是钴酸锂。 层状结构的镍酸锂虽然比钴酸锂具 有更高的比容量， 但由于它的热分解反应导致的结构变化和安全性问题， 使得直 接应用镍酸锂作为正极材料还有相当的距离。但用 Co 部分取代 Ni 获得安全性 较高的 LiNi 1-xCoxO2 来作为正极材料可能是将来一个重要的发展方向。尖晶石结构的锰酸锂和层状结构的 LiMnO 2由于原材料资源丰富、价格优势明显、安全性 能高而被认为是极具市场竞争力的正极候选材料之一。但其存在的充放电过程中 结构不稳定性问题将是将来的重要研究课题。具有橄榄石结构的磷酸铁锂目前的 实际放电容量已达理论容量的 95％左右，并且具有价格便宜、安全性高、结构稳定、无环境污染等优点，被认为是大型锂电池中极有理想的正极材料 随着锂离子电动车在北京、上海、苏州、杭州等国内大中城市的热销，越来越多 的电动车厂商开始采用锂离子电池作为电动车的动力来源,然而，选择什么样的锂电池成为他们面临的首要问题。虽然锂电池的保护电路已经比较成熟， 但对动 力电池而言，要真正保证安全，正极材料的选择十分关键。目前，在锂离子电池 中使用量最多的正极材料有以下几种：钻酸锂（LiCoO2）,锰酸锂（LiMn 2O4）, 镍钻锰酸锂（LiCoxNiyMnzO2）以及磷酸铁锂（LiFePO4）。
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