在构成锂离子电池正极材料的三个核心要素(含有锂离子、具有可变价过渡金属以及适合锂离子脱嵌的空间结构)中,锂离子的含量和可变价过渡金属得失电子量决定了材料的理论比容量,过渡金属和空间结构决定了材料的脱嵌锂离子的电位。而空间结构也直接关系到材料的实际发挥容量、倍率性能以及安全性等指标。
正极材料的发展历程锂离子电池正极材料的研究开始于2 0世纪8 0年代初,J . B .Go o d e n o u g h课题组最早申请的钴酸锂(LiCoO2)、镍酸锂(LiNiO2)和锰酸锂(LiMn2O4)的基本专利,奠定了正极材料的研究基础。其中镍酸锂由于其结构稳定性和热稳定性差没有在实际锂离子电池中得到使用,尽管具有超过200mAh/g的放电比容量。
锰酸锂在我国目前主要用于中低端电子产品中,通常和钴酸锂或者镍钴锰酸锂三元材料混合使用。在国际上,特别是日本和韩国,锰酸锂主要是用于动力型锂离子电池中,通常是和镍钴锰酸锂三元材料混合使用。到目前为止,钴酸锂仍在高端电子产品用小型高能量密度锂离子电池领域占据正极材料主流位置,尽管其被镍钴锰酸锂三元材料取代的趋势不可逆转。
J.B.Goodenough等在20世纪90年代发现的磷酸铁锂(LiFePO4)正极材料在中国最近5年中掀起了投资和产业化的热潮。同样在20世纪90年代,从研究基本材料体相掺杂改性而发展起来的镍钴酸锂二元材料(LiNi1-xCoxO2 )和尖晶石结构的5V材料(LiMn2-xMxO4, M=Ni, Co, Cr等)也被广泛研究,尽管没有产业化。进入21世纪以来,镍钴锰酸锂三元材料(Li(Ni,Co,Mn)O2)和层状富锂高锰材料(Li2MnO3-Li(Ni,Co,Mn)O2)研究和开发成为热点,其中镍钴锰酸锂三元材料在本世纪前十年内(2001-2011)实现了商业化,而层状富锂高锰材料也许会在下一个十年内(2012~2020)成为锂离子电池正极材料的主流。