成功研发新一代高能量密度动力锂离子电池正极材料——磷酸锰锂

   
    新型的橄榄石型结构的磷酸盐系正极材料在安全性能和循环寿命等方面优于传统的层状结构正极材料（如钴酸锂、镍酸锂、三元材料），其代表性材料磷酸铁锂（LiFePO4）已被学术界和产业界广泛研究证实，并且大量应用于动力和储能电池等领域。然而，磷酸铁锂3.4 V（vs. Li/Li+）的电位限制了电池能量密度的提升，因此磷酸铁锂动力电池市场发展受限。与磷酸铁锂（LiFePO4）相比，磷酸锰锂（LiMnPO4）具有4.1V的高电位和几乎相同的理论容量，在同等容量发挥的条件下，磷酸锰锂电池的能量密度将比磷酸铁锂电池提高20%左右。因此，国际上将磷酸锰锂（LiMnPO4）列为新一代高能量密度动力锂离子电池正极材料。可以预见，一旦磷酸锰锂材料的研发取得突破，它不仅能够抢占磷酸铁锂的市场份额，而且能够挤压锰酸锂和三元材料的市场空间，打破目前正极材料的市场格局。目前，磷酸锰锂材料在全球范围内仍处于研发阶段，没有实施量产的先例，这主要是由于没能找到一种合适的解决磷酸锰锂材料高性能化问题的低成本规模化生产方法。最近，瑞士HPL（High Power Lithium）公司和日本住友大阪水泥公司积极开展磷酸锰锂材料的研发，后者更是宣称要在2012年实现该材料的产业化。
      中科院宁波材料所动力与储能电池技术研究团队夏永高副研究员带领的新型正极材料组经过大量的技术研究和工艺探索，解决了磷酸锰锂材料的电子电导率差和锂离子扩散速率低的瓶颈问题，研发出高性能化的磷酸锰锂材料，并发展了相应的低成本规模化制备工艺技术。采用所研发的磷酸锰锂材料制作的18650圆柱电池（见图1），其放电容量为1100 mAh，放电电压为3.9 V左右，能量密度高于同型号磷酸铁锂电池20%。该新型电池还具有出色的循环寿命、高倍率放电、低温性能和安全性能。1C常温循环 150周后电池容量未出现明显衰减（见图2），40C高倍率持续放电电池容量保持率为1C的90%（见图3），在零下20℃下0.2C放电容量发挥为常温（25℃）的97.6%，即使在零下40℃电池放电容量仍可以达到61.5%（见图4）。此外，该电池顺利通过3 C-10 V过充和穿刺等安全测试实验，不爆炸、不燃烧、不冒烟。上述实验数据表明，该新型材料及电池基本具备了在动力和储能电池等领域应用和发展的可行性，而该磷酸锰锂材料及电池技术不仅填补了我国在磷酸锰锂上的技术空白，还可打破国外技术垄断地位，有利于推动我国动力锂离子电池技术的发展和国际竞争力的提高。以上成果获得中科院资助。目前，该研究团队正在进行磷酸锰锂材料的中试实验，旨在加快推进产业化。相关研究结果已申请中国发明专利2项，其他相关研究结果也正在申请专利中，最终将形成技术专利池对该研究成果予以保护。