究竟什么決定了鋰電池正極材料的安全性？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-05-04 23:21
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正極材料的安全性，能量密度和功率密度是當前不同車型對鋰電池類型做出取舍的基本依據。正極材料決定了鋰電池的能量密度、壽命和安全性等指標，占鋰電池成本的30%左右。
什么決定了鋰電池正極材料的安全性？
一般的正極材料，鋰離子含量都會大于負極材料離子容量，目的是提高鋰電池的功率特性和循環(huán)性。材料的熱穩(wěn)定溫度越高，說明材料的氧化能力越弱，材料越安全，確保正極材料與電解液不發(fā)生反應的因素主要依靠正極材料自身的熱穩(wěn)定性和與電解液的相容性。
◆電芯能量密度
每種鋰電池正極材料都有其理論能量密度，選擇了一種正極材料，就選擇了電芯能量密度的上限。正極材料的用量設計和加工制作過程中的振實密度也對電芯成品的能量密度產生影響。
◆電芯功率密度
不同的正極材料種類，決定了鋰電池充放電功率的大體范圍。材料的一些細節(jié)，作為輔助因素，也會對功率特性造成影響。比如，正極材料的晶體結構穩(wěn)定性，顆粒尺寸，摻雜原子，碳包覆工藝，材料的制備方法等。以上因素最終都是通過影響正極材料容納鋰離子的能力和脫嵌嵌入通道的通暢性來影響鋰電池的功率密度。
◆電芯循環(huán)壽命
影響鋰電芯循環(huán)壽命的因素很多，與正極材料相關的，主要有正極材料活性物質在循環(huán)使用中的損耗，以及充放電過程中，材料結構的崩壞引發(fā)的正極容納鋰離子能力的衰減。而正極材料中的雜質成分，比如單質鐵和三價鐵，都會與電解液相互作用，產生不良副反應，或者造成內部微短路。
鋰電池對正極材料的基本要求
第一，材料自身電位高，這樣才能與負極材料之間形成較大的電位差，帶來能量密度高的電芯設計；同時帶電離子嵌入脫出對電極電位影響小，則充放電過程，不會有過大的電壓波動，不會給系統(tǒng)內的其他電氣帶來不利影響。
第二，材料含鋰量高且鋰離子嵌入脫嵌可逆。這是高容量的前提。有些正極材料，理論容量很高，但是有一半的鋰離子，第一次嵌入以后就失去了活性。這樣的材料，是無法投入商用的。
第三，鋰離子擴散系數大，鋰離子在材料內部的移動更迅速，嵌入和脫嵌的能力強。是影響電芯內阻的因素，也是影響功率特性的因素。
第四，材料比表面積大，有大量的嵌鋰位置。表面積大，鋰離子的嵌入通道相對較短，則嵌入和脫嵌更容易。通道淺的同時，嵌鋰位置還要充足。
第五，與電解液的相容性和熱穩(wěn)定性好，這點是出于安全性考慮。鋰電池正極材料與電解液不容易發(fā)生反應，以及在較高溫度下依然結構穩(wěn)定并且仍然不易與電解液反應。這樣的材質，不會為電芯額外的熱積累提供熱量，可以減少電芯進入自生熱階段的概率。
第六，材料易得，且加工性能好。成本低，材料容易加工成電極，且電極結構穩(wěn)定，是材料得到推廣應用的有利條件。
鋰電池正極材料價格趨勢
說到鋰電池正極材料價格,我們第一個會想到的就是鋰電池價格,其實鋰離子正極材料價格占比鋰電池中的重要一環(huán),經過計算,預計鋰電池正極材料價格占比約25%~35%之間,根據不同的公司不同的配比,其比例也不盡相同。
電力系統(tǒng)結構日益復雜，調節(jié)能力亟待提升。目前我國的電力系統(tǒng)建設已經取得了重大的發(fā)展成就,尤其是UPS電源和鋰電池的使用更是在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。電力專用UPS通過RS232/RS485、無源接點、電量變送器將UPS的工作狀態(tài)和數據實時的傳輸到DCS系統(tǒng)，實現(xiàn)智能監(jiān)控，具有雙變換在線式、零轉換功能。
電力系統(tǒng)對UPS電源提出了哪些要求？
可靠性要求：
由于電廠對設備的高可靠性的要求，因而對UPS電源的可靠性和使用壽命有非常高的要求。防雷要求比較高，一般要求二級防雷。
負載類型：
由于電廠的分散控制系統(tǒng)負載大多數為單相負載，單相負載配電線路簡單、維護方便。因此電廠專用的UPS電源大多數要求為三相輸入/單相輸入、單相輸出的中小型功率UPS，容量一般在60kVA范圍之內。
交流輸入要求：
由于廠用電電壓波動范圍比較寬，諧波電壓比較大，要求UPS的輸入范圍比較寬。由于電廠要求交流電和直流電隔離，因此UPS輸入、輸出均必須配置隔離變壓器。一般電廠廠用電的質量比較差，所以其對UPS的輸入THDi并沒有特別高的要求。
旁路要求：
靜態(tài)切換開關應具有自動、手動兩種工作方式，實現(xiàn)無間斷切換。為了提高旁路運行模式下的供電的質量，去除干擾和市電波動的影響。旁路一般需要增加隔離穩(wěn)壓器，主要起隔離和穩(wěn)壓的作用。一般還需要維修旁路，維修UPS時，維修旁路供電，需要能把UPS柜完全從供電系統(tǒng)中斷開，開關的操作必須保證輸出不斷電。
直流系統(tǒng)：
由于電廠有220V（187~253V，額定為18節(jié)12伏蓄電池）或110V（93~126V，額定為9節(jié)12伏蓄電池）直流系統(tǒng);電廠為了節(jié)約成本，此直流系統(tǒng)直接作為UPS電源直流輸入;電廠有專門的電力直流操作屏給蓄電池充電;要求UPS直流輸入電壓為220V或110V，且不要求UPS具有充電功能。常規(guī)UPS工作所配的電池組是單獨使用的，其直流輸入端的反灌雜訊較大，如果蓄電池直接并入UPS的BUS中，UPS會對蓄電池上產生較大的電磁干擾，嚴重時會影響直流系統(tǒng)的正常運行，而電力專用UPS的直流輸入端一般要求裝有反灌雜訊抑制器，如逆止二極管等，使UPS對直流母線的影響極小。
通信要求：
UPS電源主機需要提供RS232和RS485接口，UPS運行狀態(tài)和主要報警信號應能提供無源干接點，主要運行狀態(tài)和報警信號一般包括：
A）UPS的工作狀態(tài)：UPS工作/電池供電/旁路供電;
B）各種裝置的綜合故障信號;
C）交流進線斷路器狀態(tài)/直流開關的狀態(tài);需要提供開關的輔助觸點。
D）饋線開關的狀態(tài)，一般需要提供開關的輔助觸點和報警觸點。
E）UPS的輸出電壓、電流及頻率應通過變送器轉換為4～20mA模擬量信號，以便可直接送入電廠的分散控制的模擬量采樣系統(tǒng)中。
鋰電池系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用和意義
1、提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。大型鋰電池裝置可以方便地協(xié)調有功功率和無功功率。這種方式實現(xiàn)了電網的快速控制，可以支撐電網的電壓和頻率，減少了區(qū)域振蕩，因而可以改善電網的動態(tài)和靜態(tài)特性。
2、顯著提高電能質量和供電穩(wěn)定性。電能質量直接影響用戶和用電設備的工作，對電網的經濟運行具有重要意義。配電系統(tǒng)電能質量的主要問題包括電壓降，浪涌電壓和電壓波動等問題。利用鋰電池儲能系統(tǒng)和電力電子技術，可以快速平衡系統(tǒng)中的不平衡功率，有效改善電壓波動和波形失真，從而提高電能質量水平。此外，鋰電池系統(tǒng)還可以作為應急電源使用，以確保不間斷電力供應。
3、支持新能源發(fā)電并作為分布式電源靈活輸電。建立大規(guī)模儲能技術與新能源發(fā)電機組結合形成聯(lián)合運行機構是解決新能源發(fā)電技術規(guī)?；刖W的有效解決方案。這都表明，大型鋰電池系統(tǒng)在未來的電力系統(tǒng)建設中扮演著非常重要的角色。
電力系統(tǒng)正在向大規(guī)模發(fā)展，負載構成越來越復雜。這些因素使得電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性面臨嚴峻挑戰(zhàn)。鋰電池具有壽命長，成本低，效率高的特點。它已被用于移動通信，電氣工程，航空航天等領域。鋰電池技術的代表已經從電池的小容量發(fā)展到系統(tǒng)結構的規(guī)模。它是解決現(xiàn)代電力系統(tǒng)挑戰(zhàn)的有效途徑。
什么決定了鋰電池正極材料的安全性？
一般的正極材料，鋰離子含量都會大于負極材料離子容量，目的是提高鋰電池的功率特性和循環(huán)性。材料的熱穩(wěn)定溫度越高，說明材料的氧化能力越弱，材料越安全，確保正極材料與電解液不發(fā)生反應的因素主要依靠正極材料自身的熱穩(wěn)定性和與電解液的相容性。
◆電芯能量密度
每種鋰電池正極材料都有其理論能量密度，選擇了一種正極材料，就選擇了電芯能量密度的上限。正極材料的用量設計和加工制作過程中的振實密度也對電芯成品的能量密度產生影響。
◆電芯功率密度
不同的正極材料種類，決定了鋰電池充放電功率的大體范圍。材料的一些細節(jié)，作為輔助因素，也會對功率特性造成影響。比如，正極材料的晶體結構穩(wěn)定性，顆粒尺寸，摻雜原子，碳包覆工藝，材料的制備方法等。以上因素最終都是通過影響正極材料容納鋰離子的能力和脫嵌嵌入通道的通暢性來影響鋰電池的功率密度。
◆電芯循環(huán)壽命
影響鋰電芯循環(huán)壽命的因素很多，與正極材料相關的，主要有正極材料活性物質在循環(huán)使用中的損耗，以及充放電過程中，材料結構的崩壞引發(fā)的正極容納鋰離子能力的衰減。而正極材料中的雜質成分，比如單質鐵和三價鐵，都會與電解液相互作用，產生不良副反應，或者造成內部微短路。
鋰電池對正極材料的基本要求
第一，材料自身電位高，這樣才能與負極材料之間形成較大的電位差，帶來能量密度高的電芯設計；同時帶電離子嵌入脫出對電極電位影響小，則充放電過程，不會有過大的電壓波動，不會給系統(tǒng)內的其他電氣帶來不利影響。
第二，材料含鋰量高且鋰離子嵌入脫嵌可逆。這是高容量的前提。有些正極材料，理論容量很高，但是有一半的鋰離子，第一次嵌入以后就失去了活性。這樣的材料，是無法投入商用的。
第三，鋰離子擴散系數大，鋰離子在材料內部的移動更迅速，嵌入和脫嵌的能力強。是影響電芯內阻的因素，也是影響功率特性的因素。
第四，材料比表面積大，有大量的嵌鋰位置。表面積大，鋰離子的嵌入通道相對較短，則嵌入和脫嵌更容易。通道淺的同時，嵌鋰位置還要充足。
第五，與電解液的相容性和熱穩(wěn)定性好，這點是出于安全性考慮。鋰電池正極材料與電解液不容易發(fā)生反應，以及在較高溫度下依然結構穩(wěn)定并且仍然不易與電解液反應。這樣的材質，不會為電芯額外的熱積累提供熱量，可以減少電芯進入自生熱階段的概率。
第六，材料易得，且加工性能好。成本低，材料容易加工成電極，且電極結構穩(wěn)定，是材料得到推廣應用的有利條件。
鋰電池正極材料價格趨勢
說到鋰電池正極材料價格,我們第一個會想到的就是鋰電池價格,其實鋰離子正極材料價格占比鋰電池中的重要一環(huán),經過計算,預計鋰電池正極材料價格占比約25%~35%之間,根據不同的公司不同的配比,其比例也不盡相同。
電力系統(tǒng)結構日益復雜，調節(jié)能力亟待提升。目前我國的電力系統(tǒng)建設已經取得了重大的發(fā)展成就,尤其是UPS電源和鋰電池的使用更是在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。電力專用UPS通過RS232/RS485、無源接點、電量變送器將UPS的工作狀態(tài)和數據實時的傳輸到DCS系統(tǒng)，實現(xiàn)智能監(jiān)控，具有雙變換在線式、零轉換功能。
電力系統(tǒng)對UPS電源提出了哪些要求？
可靠性要求：
由于電廠對設備的高可靠性的要求，因而對UPS電源的可靠性和使用壽命有非常高的要求。防雷要求比較高，一般要求二級防雷。
負載類型：
由于電廠的分散控制系統(tǒng)負載大多數為單相負載，單相負載配電線路簡單、維護方便。因此電廠專用的UPS電源大多數要求為三相輸入/單相輸入、單相輸出的中小型功率UPS，容量一般在60kVA范圍之內。
交流輸入要求：
由于廠用電電壓波動范圍比較寬，諧波電壓比較大，要求UPS的輸入范圍比較寬。由于電廠要求交流電和直流電隔離，因此UPS輸入、輸出均必須配置隔離變壓器。一般電廠廠用電的質量比較差，所以其對UPS的輸入THDi并沒有特別高的要求。
旁路要求：
靜態(tài)切換開關應具有自動、手動兩種工作方式，實現(xiàn)無間斷切換。為了提高旁路運行模式下的供電的質量，去除干擾和市電波動的影響。旁路一般需要增加隔離穩(wěn)壓器，主要起隔離和穩(wěn)壓的作用。一般還需要維修旁路，維修UPS時，維修旁路供電，需要能把UPS柜完全從供電系統(tǒng)中斷開，開關的操作必須保證輸出不斷電。
直流系統(tǒng)：
由于電廠有220V（187~253V，額定為18節(jié)12伏蓄電池）或110V（93~126V，額定為9節(jié)12伏蓄電池）直流系統(tǒng);電廠為了節(jié)約成本，此直流系統(tǒng)直接作為UPS電源直流輸入;電廠有專門的電力直流操作屏給蓄電池充電;要求UPS直流輸入電壓為220V或110V，且不要求UPS具有充電功能。常規(guī)UPS工作所配的電池組是單獨使用的，其直流輸入端的反灌雜訊較大，如果蓄電池直接并入UPS的BUS中，UPS會對蓄電池上產生較大的電磁干擾，嚴重時會影響直流系統(tǒng)的正常運行，而電力專用UPS的直流輸入端一般要求裝有反灌雜訊抑制器，如逆止二極管等，使UPS對直流母線的影響極小。
通信要求：
UPS電源主機需要提供RS232和RS485接口，UPS運行狀態(tài)和主要報警信號應能提供無源干接點，主要運行狀態(tài)和報警信號一般包括：
A）UPS的工作狀態(tài)：UPS工作/電池供電/旁路供電;
B）各種裝置的綜合故障信號;
C）交流進線斷路器狀態(tài)/直流開關的狀態(tài);需要提供開關的輔助觸點。
D）饋線開關的狀態(tài)，一般需要提供開關的輔助觸點和報警觸點。
E）UPS的輸出電壓、電流及頻率應通過變送器轉換為4～20mA模擬量信號，以便可直接送入電廠的分散控制的模擬量采樣系統(tǒng)中。
鋰電池系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用和意義
1、提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。大型鋰電池裝置可以方便地協(xié)調有功功率和無功功率。這種方式實現(xiàn)了電網的快速控制，可以支撐電網的電壓和頻率，減少了區(qū)域振蕩，因而可以改善電網的動態(tài)和靜態(tài)特性。
2、顯著提高電能質量和供電穩(wěn)定性。電能質量直接影響用戶和用電設備的工作，對電網的經濟運行具有重要意義。配電系統(tǒng)電能質量的主要問題包括電壓降，浪涌電壓和電壓波動等問題。利用鋰電池儲能系統(tǒng)和電力電子技術，可以快速平衡系統(tǒng)中的不平衡功率，有效改善電壓波動和波形失真，從而提高電能質量水平。此外，鋰電池系統(tǒng)還可以作為應急電源使用，以確保不間斷電力供應。
3、支持新能源發(fā)電并作為分布式電源靈活輸電。建立大規(guī)模儲能技術與新能源發(fā)電機組結合形成聯(lián)合運行機構是解決新能源發(fā)電技術規(guī)?；刖W的有效解決方案。這都表明，大型鋰電池系統(tǒng)在未來的電力系統(tǒng)建設中扮演著非常重要的角色。
電力系統(tǒng)正在向大規(guī)模發(fā)展，負載構成越來越復雜。這些因素使得電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性面臨嚴峻挑戰(zhàn)。鋰電池具有壽命長，成本低，效率高的特點。它已被用于移動通信，電氣工程，航空航天等領域。鋰電池技術的代表已經從電池的小容量發(fā)展到系統(tǒng)結構的規(guī)模。它是解決現(xiàn)代電力系統(tǒng)挑戰(zhàn)的有效途徑。
