锂电池正极材料(锂离子电池的核心部分)

来源：互联网

锂电池正极材料是锂离子电池的核心部分，理想的正极材料应该具有能量密度高、充放电循环性能好、安全稳定、成本低廉、环境友好等特点。锂离子电池是以两种不同的能够可逆地插入及脱出锂离子的嵌锂化合物分别作为电池的正极和负极的二次电池体系。

1980年，约翰·古迪纳夫提出以LiCoO2作为锂电池正极材料。1990年，索尼用碳作为负极材料、LiCoO2作为正极材料制备出了锂离子电池。1997年，古迪纳夫团队又发明了更加稳定安全的正极材料——磷酸铁锂。1999年，Liu等首先提出了具有不同组分的三元层状镍钴锰酸锂（NCM）材料。2003年，Makimura等提出了Ni和Mn等量的Li（Ni1/3Co1/3Mn1/3）O2材料。2020年，磷酸铁锂材料重回动力电池主流路线。

2022年，全球70%的锂离子电池、99%的磷酸铁锂正极材料由中国企业生产。中国从2025年11月8日开始针对锂电池正极材料相关物项实施出口管制政策。管控对象包含压实密度大于等于2.5g/cm³且克容量大于等于156mAh/g的磷酸铁锂，镍钴锰氢氧化物、镍钴铝氢氧化物这类三元正极材料前驱体等。锂电池正极材料可应用于新能源汽车、3C电子产品、储能领域。

背景技术

锂离子电池是以2种不同的能够可逆地插入及脱出锂离子的嵌锂化合物分别作为电池的正极和负极的2次电池体系。充电时，锂离子从正极材料的晶格中脱出，经过电解质后插入到负极材料的晶格中，使得负极富锂，正极贫锂；放电时锂离子从负极材料的晶格中脱出，经过电解质后插入到正极材料的晶格中，使得正极富锂，负极贫锂。这样正负极材料在插入及脱出锂离子时相对于锂的电势的差值，就是电池的工作电压。

锂离子电池是绿色高能电池，已成为高新技术发展的重点之一。锂离子电池具有以下特点：高电压、高容量、低消耗、无记忆效应、无公害、体积小、内阻小、自放电少、循环次数多。因其上述特点，锂离子电池已应用到移动电话、笔记本电脑、摄像机、数码相机等众多民用及军事领域。

研究历史

二十世纪六、七十年代，锂二次电池最初提出时，是以锂金属或者其合金做为负极、以氧化物或者硫化物（MnO2、TiS2、等）做为正极材料。1980年和1990年，约翰·古迪纳夫分别提出以LiCoO2和LiFePO4作为锂电池正极材料，直接推动了锂离子电池的发展。1983年，诺贝尔化学奖得主约翰·班尼斯特·古迪纳夫发明了第一代电动汽车电池的正极材料锰酸锂。

1990年，索尼用碳作为负极材料、LiCoO2作为正极材料制备出了锂离子电池。自此，锂二次电池得以商业化并且开始迅速发展。1997年，古迪纳夫团队又发明了更加稳定安全的正极材料——磷酸铁锂，这是截至2024年电动汽车、电动大巴、电动船舶等电动交通工具使用的主流材料。

1999年，Liu等首先提出了具有不同组分的三元层状NCM（镍钴锰酸锂）材料，其Ni/Co/Mn的比率可以为7/2/1、6/2/2或5/2/3。2003年，Makimura等提出了Ni和Mn等量的Li（Ni1/3Co1/3Mn1/3）O2材料。通过Ni-Co-Mn的协同作用，三元材料结合了三种材料的优点：LiCoO2的优良循环性能，LiNiO2的高能量密度、高安全性，LiMnO2的低成本等，已经成为截至2020年最有前景的新型锂离子电池正极材料。

2001年，法国科学家米歇尔·阿曼德（MichelArmand）提出了“碳包覆”技术方案，通过在磷酸铁锂颗粒表面包覆导电碳层，解决了电子传输问题，磷酸铁锂由此具备了商业化的物理基础。自2005年前后，磷酸铁锂等聚阴离子类正极材料的专利申请数量迎来快速提升；受全球新能源汽车产业高速扩张带动，三元材料专利申请量在2009‑2013年实现跨越式增长，正式步入高速发展时期。

2011年，国家知识产权局专利复审委员会作出裁决，其宣告加拿大魁北克水电公司在中国的核心碳包覆专利无效，中国由此打破该项专利封锁。2020年，磷酸铁锂材料重回动力电池主流路线，特斯拉上海工厂开始大规模交付搭载宁德时代磷酸铁锂电池的特斯拉model3汽车。2022年，这项核心碳包覆专利在全球范围内到期，中国企业彻底摆脱对应的法律束缚，企业开始向全球大规模输出自身产能与技术。同年，全球70%的锂离子电池、99%的磷酸铁锂正极材料由中国企业生产。2024年，陈立泉和黄学杰团队在第三代锂离子电池的基础研究上取得了系列突破，其中他们基于镍锰尖晶石高电压正极材料研发的锂离子电池能量密度比第二代的磷酸铁锂电池提升50%以上，量产后预期成本也明显下降。

2025年，在中国动力电池装车量里，磷酸铁锂的占比已经突破80%；在储能行业当中，磷酸铁锂的市场占有率达到99%。2026年6月，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心王春阳研究员团队经过近两年的科研攻关，利用原子尺度超分辨成像技术，首次揭示了钴酸锂正极材料在极端高电压工况下的原子尺度失效机制。相关研究以《Atomic origins of ultrahigh-voltage failure in LiCoO2 cathodes》为题发表于《JACS》，标志着极端条件下的电池材料微观失效机制研究取得重大突破。

制备方法

LiFePO₄的制备

截至2025年，常见的合成锂电池正极材料LiFePO₄的方法主要可分为液相法和固相法。相比液相法，固相法具有成本较低、工艺简单以及流程可靠等优点，成为当前合成LiFePO₄应用最为广泛的方法。

液相法主要包括溶胶‑凝胶法、共沉淀法以及水热合成法等。

制备溶胶‑凝胶法先将锂源、磷源、铁源等物质按照一定物质的量比均匀混合，通过恒温水浴搅拌形成湿凝胶，经干燥后得到干凝胶，研磨后制得粉末，最后经过恒温煅烧得到LiFePO₄材料。

共沉淀法先将锂源、磷源、铁源等物质按照一定物质的量比分别配制成溶液，将配制好的溶液依次混合后加入适量的沉淀剂进行沉淀反应，再通过过滤、洗涤、干燥得到前驱体，最后经高温煅烧得到LiFePO₄材料。

水热合成法先将锂源、磷源、铁源等物质按照一定物质的量比分别配制成溶液，再将配制好的溶液依次混合后倒入高压反应釜中，在高于100℃的条件下反应一段时间，将反应所得的样品过滤、洗涤、干燥后得到LiFePO₄材料。

固相法作为合成LiFePO₄最早出现的方法之一，显著优点是制备过程简单，用时短。但存在化学反应产物粒径大、粒度分布范围广等缺点。固相法主要包括高温固相反应法、碳热还原法等。

高温固相法将锂源、磷源、铁源（二价铁）等物质按照一定物质的量比进行共混、干燥、烧结、冷却、再烧结后，得到LiFePO₄材料。CAOJ等[19]通过高温固相法合成了磷酸铁锂（LiFePO₄）/聚乙二醇（PEG）/碳纳米管（CNTs）颗粒。

碳热还原法和高温固相法工艺流程相似，将锂源、磷源、铁源（三价铁）等物质按照一定物质的量比进行共混、干燥、烧结、冷却、添加碳源、再烧结后，得到LiFePO₄材料。WANGLY等[20]采用碳热还原法合成了LiFePO₄/C复合正极材料。

三元材料的合成

合成三元材料（尤其高镍‑NCM（镍钴锰酸锂）/NCA体系）的主流制备手段包含共沉淀法、固相法、溶胶‑凝胶法以及喷雾热解法。高镍三元材料产业化落地过程中受制于合成工艺、生产设备、湿度环境管控等多项技术瓶颈：高镍NCM（镍钴锰酸锂）与NCA吸湿特性显著，生产与储存环节均需要低‑湿度环境；并且材料脱锂状态下极易释放氧气。

LiCoO₂的制备

格林美（江苏）钴业股份有限公司在2025‑10提交专利申请，专利名称为“一种高密度球形LiCoO₂正极材料及其连续制备方法”，该专利依靠调控共沉淀工艺参数并改善烧结制度，以此制备LiCoO₂正极材料。

应用领域

2023年，中国正极材料全年出货量达248万吨，同比增幅30.53%，其中磷酸铁锂材料出货占比66.53%，三元材料出货占比26.21%，锰酸锂材料出货占比4.03%，钴酸锂材料出货占比3.39%。

磷酸锰铁锂融合了磷酸铁锂的安全优势与三元材料的高能量密度特性，是当前动力电池正极材料的重要升级方向。相较于传统磷酸铁锂，其具备更高的电压平台，理论能量密度可提升约20%，有效突破了磷酸铁锂固有的能量密度短板。相较于三元材料，其能量密度与五系三元材料相近，同时具备安全性优异、成本低廉、绿色环保的突出特点。2023年7月，磷酸锰铁锂产业正式迈入大规模产业化的筹备阶段。不仅主流电池企业纷纷布局磷酸锰铁锂相关电池产品，锂电产业链上、中游各大企业也持续加码锰系材料赛道。

凭借优异的高能量密度性能，富锂锰基正极材料成为下一代高能量锂离子电池的核心研发路线。北京工业大学研发团队已完成年产500吨的富锂锰基材料生产线搭建与投产工作，实现吨级产品稳定供货，且与宁德时代、比亚迪等行业头部企业达成深度合作。

天津大学许运华教授团队成功研发出聚苯并二呋喃二酮（PBFDO）新型有机正极材料，依托该材料制备的软包电池能量密度突破250瓦时/公斤，性能优于磷酸铁锂电池，可在-70℃至80℃的宽温极端环境中稳定运行，同时兼具良好柔韧性与安全性能，顺利通过针刺测试，为柔性电子、可穿戴设备等领域提供了全新储能方案。

根据正极材料体系的不同，锂电池可划分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等主流技术路线。钴酸锂存在成本偏高、使用寿命较短的问题，主要应用于3C电子产品；锰酸锂能量密度与循环寿命表现一般，但具备低成本优势，多用于专用车辆领域；磷酸铁锂循环寿命长、安全系数高且性价比突出，广泛适配商用车市场；以NCM（镍钴锰酸锂）为代表的三元材料能量密度高、循环稳定性好、使用寿命长，是乘用车动力电池的主流选择。

截至2023年，国内锂电正极材料整体呈现出技术路线多元化的发展格局。未来正极材料产业将向高端化迭代升级，主要分为两大发展方向，分别是依托高镍、超高镍体系实现电池高能量密度突破，以及凭借磷酸锰铁锂、钠电体系兼顾高安全性与低成本优势。富锂锰基正极材料的放电比容量大幅高于现阶段已商业化的磷酸铁锂、三元材料，能够将锂电池能量密度提升30%以上，是下一代锂电池正极材料的重点研发方向。

2026年，天津大学许运华团队联合华南理工大学黄飞团队，基于新型有机正极材料研制出高性能软包电池。该电池能量密度可达250瓦时/公斤以上，可适应-70℃至80℃的极端温度环境，电极经过弯折、拉伸、挤压等测试均无破损、容量无衰减，且顺利通过严苛的针刺安全检测。

劣势

参考资料：

市场情况

2022年-2024年，中国锂电正极材料全球市场占有率突破60%。

2023年，中国锂电正极市场出货量248万吨，同比增长31%。从正极材料产品结构看，2023年磷酸铁锂正极材料出货量达165万吨，同比增长48.3%，市场占比66%，提升近7个百分点；三元正极材料出货65万吨，同比增长2%，市场占比下滑至26%；锰酸锂和钴酸锂出货量分别为10万吨和8.4万吨。磷酸铁锂材料出货量占比上升主要系储能与动力铁锂电池带动。

2024年1-11月，中国磷酸铁锂电池装机量达348GWh，占总装机量的73.6%，同比增长超51.5%；三元锂电池装机量为124.7GWh，占比超26%，同比增长13.7%。

2025年，中国正极材料出口市场呈现双轨格局，美国以1380.19百万美元保持最大单一市场地位，同时泰国市场异军突起，1-10月同比增量达3.2亿美元。越南、德国、马来西亚等新兴市场增速位列第二梯队，推动出口结构多元化。中国将锂电池正极材料纳入出口管制范围。根据中华人民共和国商务部、海关总署2025年第58号公告，自2025年11月8日起，对压实密度大于等于2.5g/cm³且克容量大于等于156mAh/g的磷酸铁锂、三元前驱体（镍钴锰/铝氢氧化物）、富锂锰基正极材料及相关制造设备等物项实施出口管制。

产业核心竞争力体现在高附加值产品出口占比持续提升，特别是在新能源动力电池领域（全球占有率89%）。2026年2月，盟固利公告计划投资9.29亿元建设年产3万吨锂离子电池正极材料项目。

标准与规范

2025年12月25日，强制性国家标准《移动电源安全技术规范》于2026年一季度正式发布，并在适当的过渡期后正式实施。该标准不仅对电池正负极材料、隔膜、电解液等核心关键材料提出明确规范要求，还新增了电池循环老化后的安全性能测试项目，进一步完善了移动电源安全检测体系。

依据中华人民共和国商务部、海关总署发布的公告，出于维护国家安全以及履行国际义务的目的，中国从2025年11月8日开始针对正极材料相关物项等实施出口管制政策。管控对象包含压实密度≥2.5g/cm³、克容量≥156mAh/g的高压实磷酸铁锂，镍钴锰氢氧化物、镍钴铝氢氧化物这类三元正极材料前驱体，还有富锂锰基正极材料；辊道窑、高速混料机、砂磨机、气流粉碎机等制备前述正极材料的生产设备同样被划入管制清单。出口企业若向外输出上述管控物项，应当按照《中华人民共和国出口管制法》的相关条例向商务主管部门办理出口许可手续，同时在报关单的备注栏填写管制物项的对应信息。

背景技术

研究历史

制备方法

LiFePO₄的制备

三元材料的合成

LiCoO₂的制备

应用领域

劣势

市场情况

标准与规范

相关技术

回收工艺

正极材料搅拌

相关事件