三元?jiǎng)恿﹄姵睾弯囯姵氐膮^(qū)別是什么？它們的工作原理有何不同？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-14 17:02
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鈷酸鋰這種材料，在鋰脫出超過(guò)一半后很容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的坍塌，其理論比容量為2754.2V下一般在140-145之間之前有人做過(guò)鈷酸鋰在4.35V下容量大約在155-160mAh/g之間從這些數(shù)值中可以看出鈷酸鋰在高電壓下雖然容量升高但是同時(shí)也超過(guò)了其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性所需要的鋰脫出量所以從這種材料本身來(lái)說(shuō)是不適合高電壓的目前的高電壓鈷酸鋰都是改性鈷酸鋰成本都是很高的而且就算改性鈷酸鋰也很難再4.4V下保證長(zhǎng)期循環(huán)的穩(wěn)定性不過(guò)為了針對(duì)您的問(wèn)題也順便說(shuō)一下鈷酸鋰在高電壓下的優(yōu)點(diǎn)由于鈷酸鋰發(fā)展時(shí)間最長(zhǎng)所以與電解液的匹配是最成熟的高溫下的產(chǎn)氣也是最好控制的
三元材料與鈷酸鋰則正相反全電池中4.5V下的結(jié)構(gòu)都是非常穩(wěn)定的而且電壓越高其鋰離子脫嵌效率越高也就是首次效率越高在4.35V克容量大約為160-165mAh/g4.5V下可以達(dá)到甚至超過(guò)200mAh/g而且是不需要改性的（當(dāng)然前提是高性能的三元那些市場(chǎng)上隨便買(mǎi)前驅(qū)體燒燒就賣(mài)沒(méi)什么技術(shù)含量的三元材料不在此范圍之內(nèi)）
三元材料高電壓下的唯一缺點(diǎn)就是與鈷酸鋰相反的由于是一種相對(duì)的新型材料與電解液的匹配比較難主要表現(xiàn)為高溫下的產(chǎn)氣但是日韓和國(guó)內(nèi)的ATL已經(jīng)可以再軟包電池中很好的解決這一問(wèn)題這一問(wèn)題的解決主要在對(duì)三元材料表面性質(zhì)的控制PH的控制和電解液的匹配
鈷酸鋰的理論克容量有270多吧，但是目前只能做到145左右，就是因?yàn)橹荒苻D(zhuǎn)移0.5mol的電子
如果轉(zhuǎn)移的過(guò)多，那么鈷酸鋰的結(jié)構(gòu)骨架就會(huì)塌陷，所以鈷酸鋰只能充到4.2V
而三元的電壓是可以往上充一點(diǎn)的，比如4.25V、4.3V，4.35V。但沒(méi)有人充到4.4V
也是為了保持三元材料的晶體骨架，同時(shí)也與鎳鈷錳三者的比例有關(guān)
三元是指，鋰電池里面的正極材料名稱(chēng)。三元材料是鎳鈷錳酸鋰Li（NiCoMn）O?，三元復(fù)合正極材料前驅(qū)體產(chǎn)品，是以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料,里面鎳鈷錳的比例可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整，18650是指圓柱型電池外表尺寸：18指電池直徑18.0mm650指電池高度65.0mm，用在手機(jī)上的比較多。鋰電池比較通用，市場(chǎng)上的電池大多都是，在此不做詳述
三元是指，鋰電池里面的正極材料名稱(chēng)。常規(guī)的電池正極材料是鈷酸鋰LiCoO2，三元材料則是鎳鈷錳酸鋰Li（NiCoMn）O2，三元復(fù)合正極材料前驅(qū)體產(chǎn)品，是以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料,里面鎳鈷錳的比例可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整，三元材料做正極的電池相對(duì)于鈷酸鋰電池安全性高，但是平臺(tái)太低，用在手機(jī)上（手機(jī)截止電壓一般在3.4V左右）會(huì)有明顯的容量不足的感覺(jué)。18650是指圓柱型電池外表尺寸：18指電池直徑18.0mm650指電池高度65.0mm其他正極材料使用較多除了三元以外，有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、NCA等。
鋰電池，指的是一個(gè)很廣泛的大類(lèi)，凡是用到鋰材料的都可以叫做鋰電池。按照學(xué)名，我們平時(shí)所說(shuō)的鋰電池應(yīng)該叫鋰離子電池/鋰二次電池，有相應(yīng)的負(fù)極材料。
鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰LiCoO2、錳酸鋰LiMn2O4、鎳酸鋰LiCoxNiyMnzO2、三元材料、磷酸鐵鋰LiFePO4等。正極使用三元材料的稱(chēng)為三元鋰電池；
三元鋰電池主要優(yōu)點(diǎn)是能量密度比其他材料高；
三元鋰電池的正極材料又分為NCA鎳鈷鋁和NCM鎳鈷錳；
三元材料中多數(shù)為NCM，一般我們提到的三元鋰電池指的是NCM。NCM國(guó)外代表廠商是SDI、SKI，在中國(guó)主要是力神、慧通天下、比克、萬(wàn)向、德朗能等。特斯拉采用的是NCA18650型，NCA穩(wěn)定性相對(duì)較強(qiáng)，且循環(huán)性能強(qiáng)；但是在制作過(guò)程中，由于Al為兩性金屬，不易沉淀，因此工藝上存在門(mén)檻。由于NCA中鋁的含量過(guò)少，因此也常稱(chēng)為二元材料。
三元材料NCM產(chǎn)品型號(hào)從111三元（N:C:M=1:1:1）到433，532，622，811。隨著鎳含量遞增，電池能量密度也相應(yīng)得到了提十。
鋰離子電池經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展，比能量、比功率等性能有較大的提高，已成功應(yīng)用于汽車(chē)上。受電池比能量限制，純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程有限，是制約發(fā)展的瓶頸，國(guó)外汽車(chē)廠近期規(guī)劃以開(kāi)發(fā)混合動(dòng)力汽車(chē)為主。目前應(yīng)用于鋰離子電池的正極材料主要有錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、三元材料等材料，目前使用的功率型電池正極主要選用磷酸鐵鋰和三元兩種材料。本文采用相同的電池殼蓋、負(fù)極材料及內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別制作磷酸鐵鋰和三元兩種正極材料的電池，比較兩種電池的比能量、比功率、循環(huán)、高低溫特性等性能，對(duì)比分析兩種電池性能差異。
1實(shí)驗(yàn)
1.1實(shí)驗(yàn)材料選擇
正極材料磷酸鐵鋰和鎳鈷錳配比為1∶1∶1的三元材料，負(fù)極選用MCMB，電解液選用EC、PC、EMC和DEC組成的混合溶劑，電解質(zhì)為L(zhǎng)iPF6作為鋰鹽，隔膜選用單層PP25μm。
1.2多孔膜電極與復(fù)合薄膜電極的制備
采用方形鋁殼LP2770102電池的殼、蓋及內(nèi)部相同的多極耳卷繞結(jié)構(gòu)，按照電池制作工藝分別制作正極材料為磷酸鐵鋰和三元材料的兩種電池。得到磷酸鐵鋰電池平均容量、內(nèi)阻、質(zhì)量分別為7.2Ah、1.06mΩ、361g；三元材料平均電池8.6Ah、1.12mΩ、360g。
1.3分析與測(cè)試
測(cè)試條件為：三元材料電池充放電電壓控制范圍為2.5~4.2V，1C=7.5A，磷酸鐵鋰材料電池充放電電壓控制范圍為2.0～3.65V，1C=6.5Ah，無(wú)特殊說(shuō)明測(cè)試溫度為(25±2)℃。
2結(jié)果與討論
2.1放電性能測(cè)試
從圖1與表1可得出，相同體積電池，正極使用三元材料比使用磷酸鐵鋰材料放電容量高19.4%，比能量高37.5%，放電比功率高39.7%。由于三元材料質(zhì)量比容量、壓實(shí)密度均高于磷酸鐵鋰材料，所以使用三元材料電池放電有較大優(yōu)勢(shì)。
為電動(dòng)汽車(chē)提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的電池被稱(chēng)為動(dòng)力電池，包括傳統(tǒng)的鉛酸電池、鎳氫電池以及新興的鋰離子動(dòng)力電鋰電池，分為功率型動(dòng)力電池（混合動(dòng)力汽車(chē)）以及能量型動(dòng)力電池（純電動(dòng)汽車(chē)）；手機(jī)、筆記本電腦等消費(fèi)電子產(chǎn)品使用的鋰電池一般統(tǒng)稱(chēng)為鋰電池，以區(qū)別于電動(dòng)汽車(chē)用的動(dòng)力電池。
動(dòng)力電池現(xiàn)有主要種類(lèi)
目前市場(chǎng)上主流技術(shù)仍以鉛酸電池技術(shù)、鎳氫電池技術(shù)、燃料電池技術(shù)、鋰電池技術(shù)為主。
鉛酸蓄電池
鉛酸蓄電池的應(yīng)用歷史最長(zhǎng)，技術(shù)最為成熟，是成本、售價(jià)最低廉的蓄電池，已實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。其中閥控式密封鉛酸蓄電池（VRLA）一度成為重要的車(chē)用動(dòng)力電池，應(yīng)用在眾多歐美汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)的EV和HEV上，例如通用在20世紀(jì)80年代和90年代分別開(kāi)發(fā)出的Saturn和EVI電動(dòng)汽車(chē)等。
但是，鉛酸電池的比能量較低，續(xù)航時(shí)間短，自放電率高，循環(huán)壽命低；其主要原料鉛的重量大，而且在生產(chǎn)和回收過(guò)程中可能產(chǎn)生重金屬的環(huán)境污染。所以，目前鉛酸電池主要用于汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)的點(diǎn)火裝置，以及電動(dòng)自行車(chē)等小型設(shè)備。
鎳氫電池
鎳氫（Ni/MH）電池具有良好的耐過(guò)充、過(guò)放能力，不存在重金屬污染問(wèn)題，而且在工作過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)電解液增減現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)密封設(shè)計(jì)、免維護(hù)。與鉛酸電池和鎳鎘電池相比，鎳氫電池具有較高的比能量、比功率及循環(huán)壽命。
其缺點(diǎn)是電池具有的記憶效應(yīng)較差，而且隨著充放電循環(huán)的進(jìn)行，貯氫合金逐漸失去催化能力，電池內(nèi)壓會(huì)逐漸升高，影響到電池的使用。此外，鎳金屬昂貴的價(jià)格，也導(dǎo)致成本較高。
在關(guān)鍵材料上，鎳氫電池主要由正極、負(fù)極、隔膜和電解質(zhì)構(gòu)成，正極為鎳電極（Ni(OH)2）；負(fù)極一般采用金屬氫化物（MH）；電解質(zhì)主要為液體，主要成份是氫氧化鉀（KOH）。目前鎳氫電池的研究重點(diǎn)主要在正、負(fù)極材料上，其技術(shù)研發(fā)相比較成熟。
車(chē)用鎳氫電池已實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)和使用，是混合動(dòng)力汽車(chē)研制中應(yīng)用最多的車(chē)載電池類(lèi)型。最典型的代表即目前混合動(dòng)力汽車(chē)量產(chǎn)規(guī)模最大的豐田Prius。豐田與松下合資成立的PEVE公司是目前世界最大的鎳氫動(dòng)力電池制造商。
如今鎳氫電池現(xiàn)階段已經(jīng)退出主流動(dòng)力電池行列，那么為何豐田還會(huì)固執(zhí)己見(jiàn)的堅(jiān)守鎳氫電池的陣營(yíng)呢？
這就不得不說(shuō)到鎳氫電池最大的優(yōu)勢(shì)：超強(qiáng)的耐用性！
曾經(jīng)美國(guó)著名的汽車(chē)媒體《消費(fèi)者報(bào)告》對(duì)一臺(tái)使用了十年后的第一代普銳斯進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，采用鎳氫電池的第一代普銳斯車(chē)型在經(jīng)過(guò)了10年行駛33萬(wàn)公里之后，將其與新車(chē)時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)比，無(wú)論是在油耗性能還是在動(dòng)力性能都保持在同一水平，說(shuō)明混動(dòng)系統(tǒng)和鎳氫電池組仍然工作正常。
此外，即便在使用十年跑了33萬(wàn)公里之后，這輛第一代普銳斯其鎳氫電池組從未發(fā)生過(guò)問(wèn)題，人們十年前所質(zhì)疑因電池容量衰減將大幅影響油耗和動(dòng)力性能的情況也沒(méi)有出現(xiàn)。由此看來(lái)，一向嚴(yán)謹(jǐn)保守的日本人對(duì)于鎳氫電池的鐘愛(ài)確實(shí)有其獨(dú)到的原因。
燃料電池
燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，電就被生產(chǎn)出來(lái)。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能“儲(chǔ)電”而是一個(gè)“發(fā)電廠”。
和普通化學(xué)電池相比，燃料電池可以補(bǔ)充燃料，通常是補(bǔ)充氫氣。一些燃料電池能使用甲烷和汽油作為燃料，但通常是限制在電廠和叉車(chē)等工業(yè)領(lǐng)域使用。氫燃料電池基本原理是電解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陽(yáng)極和陰極，氫通過(guò)陽(yáng)極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電子通過(guò)外部的負(fù)載到達(dá)陰極。
氫燃料電池的工作原理是：將氫氣送到燃料電池的陽(yáng)極板（負(fù)極），經(jīng)過(guò)催化劑（鉑）的作用，氫原子中的一個(gè)電子被分離出來(lái)，失去電子的氫離子（質(zhì)子）穿過(guò)質(zhì)子交換膜，到達(dá)燃料電池陰極板（正極），而電子是不能通過(guò)質(zhì)子交換膜的，這個(gè)電子，只能經(jīng)外部電路，到達(dá)燃料電池陰極板，從而在外電路中產(chǎn)生電流。
電子到達(dá)陰極板后，與氧原子和氫離子重新結(jié)合為水。由于供應(yīng)給陰極板的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給陽(yáng)極板供應(yīng)氫，給陰極板供應(yīng)空氣，并及時(shí)把水蒸氣帶走，就可以不斷地提供電能。
燃料電池發(fā)出的電，經(jīng)逆變器、控制器等裝置，給電動(dòng)機(jī)供電，再經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)橋等帶動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，就可使車(chē)輛在路上行駛。與傳統(tǒng)汽車(chē)相比，燃料電池車(chē)能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)60~80%，為內(nèi)燃機(jī)的2～3倍。
燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是清潔的水，它本身工作不產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳，也沒(méi)有硫和微粒排出。因此，氫燃料電池汽車(chē)是真正意義上的零排放、零污染的車(chē)，氫燃料是完美的汽車(chē)能源！
