確保正極材料與電解液不發(fā)生反應(yīng)的因素主要是什么？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-05-08 21:34
點(diǎn)擊量：次
1 對(duì)正極材料的基本要求
能夠得到廣泛應(yīng)用的正極材料，必須滿足下列要求。
第一，材料自身電位高，這樣才能與負(fù)極材料之間形成較大的電位差，帶來(lái)能量密度高的電芯設(shè)計(jì);同時(shí)帶電離子嵌入脫出對(duì)電極電位影響小，則充 放電過(guò)程，不會(huì)有過(guò)大的電壓波動(dòng)，不會(huì)給系統(tǒng)內(nèi)的其他電氣帶來(lái)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(wú)法投入商用的。
第三，鋰離子擴(kuò)散系數(shù)大，鋰離子在材料內(nèi)部的移動(dòng)更迅速，嵌入和脫嵌的能力強(qiáng)。是影響電芯內(nèi)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(duì)較短，則嵌入和脫嵌更容易。通道淺的同時(shí)，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(diǎn)是出于安全性考慮。正極材料與電解液不容易發(fā)生反應(yīng)，以及在較高溫度下依然結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并且仍然不易 與電解液反應(yīng)。這樣的材質(zhì)，不會(huì)為電芯額外的熱積累提供熱量，可以減少電芯進(jìn)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定，是材料得到推廣應(yīng)用的有利條件。
2 什么決定了正極材料的安全性
首先，電芯設(shè)計(jì)中正極材料用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)極材料的容量，會(huì)提高熱失控風(fēng)險(xiǎn)。一般的正極材料，鋰離子含量都會(huì)大于負(fù)極材料離子容量，目的是提 高電池的功率特性和循環(huán)性。但過(guò)多的鋰離子存儲(chǔ)于正極結(jié)構(gòu)中，當(dāng)外部保護(hù)電路失靈，電池發(fā)生過(guò)充時(shí)，容易引發(fā)事故。過(guò)充，負(fù)極材料結(jié)構(gòu)中已 經(jīng)充滿了鋰離子，再?zèng)]有位置容納更多。但正極中多余的鋰離子仍然會(huì)在外加電壓的驅(qū)使下，向負(fù)極聚集。造成大量鋰離子在負(fù)極表面沉積，形成鋰 單質(zhì)結(jié)晶?；顫姷匿噯钨|(zhì)遇到高溫會(huì)劇烈反應(yīng);或者單質(zhì)量過(guò)大，則會(huì)刺穿隔膜，造成內(nèi)短路，給電池帶來(lái)燃爆風(fēng)險(xiǎn)。
其次，材料的熱穩(wěn)定溫度越高，說(shuō)明材料的氧化能力越弱，材料越安全，如下面表格所示，自上而下，越來(lái)越安全。正極材料長(zhǎng)期浸泡在電解液中， 表面的保護(hù)膜并不能像負(fù)極一樣，起到很好的保護(hù)作用。因此，確保正極材料與電解液不發(fā)生反應(yīng)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。
國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上主流的電池比容量在 130-140mAh/g。 2017 年 3 月，工信部、發(fā)改委、科技部和財(cái)政部聯(lián)合發(fā)布了《促進(jìn)汽車(chē)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng) 方案》， 該方案明確指出， 2020 年動(dòng)力電池系統(tǒng)比能量力爭(zhēng)較現(xiàn)有水平提高一倍達(dá)到 260Wh/kg、成本降至 1 元/Wh 以下;2025年動(dòng)力電池單體 比能量達(dá) 500Wh/kg。 此前，國(guó)內(nèi)的寧德時(shí)代、力神電池和國(guó)軒高科等團(tuán)隊(duì)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了 300Wh/kg 動(dòng)力電池的研發(fā)。目前鈷、鋰價(jià)格已經(jīng)啟 動(dòng)，鈷價(jià)單邊上漲行情大大提高了三元材料的生產(chǎn)成本， 而采用高鎳材料之后，電池綜合單位成本將明顯下降。雖然在三元鋰動(dòng)力電池體系中，鈷元 素不可或缺，但是其比例可以降低，目前可以到 1，未來(lái)甚至可以到 0.5。 供需矛盾帶來(lái)的鈷價(jià)波動(dòng)正在助推生產(chǎn)企業(yè)向低鈷高鎳的產(chǎn)品轉(zhuǎn)向。
其次討論硫酸鎳在其他領(lǐng)域的消費(fèi)。 在電池行業(yè)中，硫酸鎳還應(yīng)用于傳統(tǒng)的鎳鎘電池和鎳氫電池。鎳鎘電池由于在充放電過(guò)程當(dāng)中如果處理不當(dāng)將會(huì) 出現(xiàn)嚴(yán)重的“記憶效應(yīng)”，使得服務(wù)壽命大大縮短，此外鎘是有毒的，不利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，所以鎳鎘電池基本上已經(jīng)被淘汰。 鎳氫電池的正極材料 用的是球鎳(球形氫氧化鎳)，硫酸鎳可以用來(lái)生產(chǎn)球鎳。2017 年中國(guó)鎳氫電池領(lǐng)域消耗硫酸鎳約 4 萬(wàn)噸。而全球鎳氫電池所消耗的硫酸鎳約為 5.7 萬(wàn)噸。 由于傳統(tǒng)的鎳氫電池市場(chǎng)趨于成熟，預(yù)計(jì)生產(chǎn)量保持不變。在電鍍領(lǐng)域，電鍍級(jí)硫酸鎳對(duì)鈷的要求是越低越好，因?yàn)樵谠擃I(lǐng)域鈷是有害的。 電鍍級(jí)硫酸鎳主要應(yīng)用于汽車(chē)輪轂、反光鏡等，國(guó)內(nèi)基本以使用金川、吉恩、金珂產(chǎn)電鍍級(jí)硫酸鎳為主。 2017 年中國(guó)電鍍用硫酸鎳約 6 萬(wàn)噸，全球 規(guī)模約 10 萬(wàn)噸。受益于全球汽車(chē)和軌道交通系統(tǒng)產(chǎn)量的增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)電鍍級(jí)硫酸鎳需求增速能夠維持在 2%。
