鋰離子電池有多種類型，不同類型的電池使用不同的正極材料，從而導致差異化。本文將介紹鋰錳氧化物正極材料的優(yōu)點、缺點和應用，以及主要的制備方法。

 

鋰錳氧化物電池

什么是鋰錳氧化物

鋰錳氧化物的化學式為LiMn2O4，具有立方尖晶石晶體結(jié)構(gòu)，在空間中包含三個鋰離子傳輸通道。因此，與其他正極材料相比，鋰錳氧化物正極材料具有更高的離子擴散速率，并且適合于需要高速充電的鋰離子電池。鋰錳氧化物是一種比較有前途的鋰離子正極材料。尖晶石型鋰錳氧化物屬于立方晶系，F(xiàn)d3m空間群，理論比容量為148mAh/g。由于三維隧道結(jié)構(gòu)，鋰離子可以從尖晶石晶格中可逆地脫嵌，而不會導致結(jié)構(gòu)坍塌，從而產(chǎn)生優(yōu)異的倍率能力和穩(wěn)定性。

 

鋰錳氧化物的作用

主要用于制造手機、筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備的鋰離子電池作為正極材料。鋰錳氧化物的主要用途是新能源電池，其他用途包括電動工具、電動玩具和其他需要移動的儲能工具。用于氣動工具、醫(yī)療設(shè)備、混合動力和新能源汽車的鋰錳氧化物離子電池備件。

 

 

鋰錳氧化物的優(yōu)點和缺點

鋰錳氧化物據(jù)說是一種尖晶石結(jié)構(gòu)，指的是其應用于鋰電池的晶體形狀。當鋰錳氧化物不應用于鋰電池時，也存在層狀結(jié)構(gòu)。相對而言，尖晶石結(jié)構(gòu)比層狀結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定（盡管基于化學性質(zhì)，似乎也可以考慮幾何結(jié)構(gòu)中不同形狀的穩(wěn)定性），因此尖晶石結(jié)構(gòu)仍在實際應用中使用。除了鋰錳氧化物，鋰鈷氧化物和三元鋰電池正極也具有尖晶石結(jié)構(gòu)，但鋰錳氧化物的尖晶石結(jié)構(gòu)與其兩種對應物相比非常獨特。

 

優(yōu)點：

● 錳儲量豐富，可以大大降低電池成本，有利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和應用；

● 采用LiMn2O4正極制成的電池安全，即使沒有保護電路，也能抵抗過充放電；倍率性能好，耐低溫。

● 錳無毒無污染，解決其回收問題在原電池方面積累了豐富的經(jīng)驗，因此使用LiMn2O4正極材料有利于環(huán)境保護。

 

缺點：

材料本身不穩(wěn)定，需要與其他材料混合，高溫性能差，循環(huán)性能差，衰減快。

鋰錳氧化物的這些缺點源于錳的性質(zhì)。然而，由于錳的廣泛存在，它具有明顯的成本優(yōu)勢。

 

 

鋰錳氧化物的主要制備方法

鋰錳氧化物目前有六種制備方法，分為高溫固相法、熔融浸漬法、微波合成法、水熱合成法、共沉淀法和溶膠-凝膠法。

其中，目前市場上主要的鋰錳氧化物有AB兩種，A型是指用于動力電池的材料，其特性主要考慮安全性和可回收性。B類是指手機電池的替代品，其主要特點是高容量。

① 高溫固相法的基本工藝流程是：混合→ 烘烤→ 研磨→ 篩選→ 產(chǎn)品固相法具有操作過程簡單、批量生產(chǎn)、成本低的優(yōu)點。

② 熔融浸漬法是指用固態(tài)法制備尖晶石型鋰錳氧化物的一種較好的方法。

可以獲得電化學性能優(yōu)異的陽極材料，但由于操作復雜、條件惡劣，不利于工業(yè)化。

③ 微波合成法與傳統(tǒng)的高溫固相法在材料合成方面有著明顯的不同。該方法用于制備具有優(yōu)異電化學性能的材料，并且可以大大縮短合成反應時間。

④ 水熱合成鋰離子電池正極材料LiMn2O4是通過水熱合成合成的，晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，結(jié)晶狀態(tài)均勻，因此合成的材料具有優(yōu)異的物理和電化學性能。

⑤ 共沉淀法制備的鋰離子電池材料不僅具有較高的電化學容量和較長的循環(huán)壽命，而且具有工藝簡單、操作簡便、反應速度快的優(yōu)點。

⑥ 溶膠-凝膠法實際上是共沉淀法的一個分支。所制備的LiMn2O4具有優(yōu)異的物理和電化學性能，但由于成本高等問題，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。

 

 

鋰錳氧化物與其他鋰電池材料

與鈷酸鋰等傳統(tǒng)正極材料相比，錳酸鋰具有資源豐富、成本低、無污染、安全性好、倍率性能好等優(yōu)點。它是一種理想的動力電池正極材料，但其循環(huán)性能和電化學穩(wěn)定性較差，極大地限制了其工業(yè)化。其次，與三元鋰電池/磷酸鐵鋰電池相比，鋰錳氧化物電池具有更便宜的優(yōu)勢。暫時的問題是周期的數(shù)量。他有幾個超級蓬勃發(fā)展的應用場景。

電動兩輪車的使用環(huán)境比汽車更惡劣，涉水和碰撞的概率比汽車高。從經(jīng)濟角度考慮，電池組的成本不應該太高。與三元鋰材料相比，鋰錳氧化物更便宜、更安全。與鐵鋰材料相比，鋰錳氧化物在冬季低溫條件下不會那么容易斷電，充電性能保持不變。但現(xiàn)在有磷酸鐵鋰電池用于低溫，但成本也很高。最終，鋰錳氧化物成為了不錯的選擇之一。據(jù)統(tǒng)計，鋰錳氧化物電池在兩輪車鋰電池中的份額19年為42%，20年為45%，21年為56%。

 

鋰錳氧化物的發(fā)展前景

據(jù)統(tǒng)計，在我國目前的錳消費結(jié)構(gòu)中，85%-90%用于鋼鐵行業(yè)，約5%-10%用于電池行業(yè)和化工行業(yè)。近年來，新材料、電動汽車等綠色制造業(yè)的快速發(fā)展，將為電解二氧化錳、錳酸鋰、高純硫酸錳等正極材料提供廣闊的市場。

中國正極材料出貨量為51萬噸，其中錳酸鋰出貨量為6.6萬噸，占比13%。盡管上半年受疫情影響，對低端數(shù)字電池的需求和對其他國家的出口有所減少，但疫情期間開始爆發(fā)的電動兩輪車電池需求支撐了錳酸鋰市場。

中國錳酸鋰產(chǎn)量達到9.29萬噸，同比增長21.6%，預計將達到10.9萬噸。目前，中國錳酸鋰正極材料公司在鋰錳氧化物行業(yè)有40多家，90%的產(chǎn)能普遍在萬噸以下。龍頭企業(yè)短缺，行業(yè)整合指日可待。