不同材料和結構特點會對電池制備技術與安全性造成哪些影響?
從目前使用的鋰離子電池主流技術來看,主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和聚合物幾種類型,它們的不同材料和結構特點會對電池制備技術與使用造成影響,從而帶來的安全性也有不同。
一、鈷酸鋰電池:在制備上的最大特點是,在充滿電后,仍有大量的鋰離子留在正極。也就是說,負極上容納不了更多的附著在正極上的鋰離子,但在過充狀態(tài)下,正極上多余的鋰離子仍會向負極游動,因不能完全容納便會在負極上形成金屬鋰,由于這種金屬鋰是樹枝狀的晶體,因而被稱為枝晶,枝晶一旦形成,就會給刺穿隔膜提供機會。隔膜刺穿將形成內部短路。由于電解液的主要成分是碳酸脂,閃電和沸點較低,這樣,在溫度較高的情況下就會燃燒甚至爆炸。控制鋰枝晶的形成在小容量鋰電池上比較容易,因此,鈷酸鋰電池目前僅限于便攜式電子設備等小容量電池,而不能用于動力電池。
二、聚合物鋰電池:在實際可用的理論比能量上有極大的提高,相對于鈷酸鋰電池,可以更好地發(fā)揮高容量作用,但從材料上來說,聚合物電池也采用鈷酸鋰和有機電解液,所以并未根本解決安全性問題。從使用角度來看,電池如果發(fā)生短路將產生過大電流。聚合物鋰電池的電解液為膠體,不易泄漏,也就排除了漏液的可能性,但將因此發(fā)生更猛烈的燃燒,因此,自燃是聚合物鋰電池的最大隱患。
三、錳酸鋰電池:錳酸鋰電池的材料具有一定的優(yōu)點,它可以保證在滿電狀態(tài)下,正極的鋰離子可以完全嵌入到負極炭孔中,而不是象鈷酸鋰那樣會在正極有一定殘留,這就從根本上避免了枝晶的產生。這是從理論上來認識。實際上,錳酸鋰電池如果遭遇強大外力作用或者制備過程中偷工減料都有可能造成電池在充放電循環(huán)過程中瞬間形成鋰離子快速移動。在負極來不及完全接收鋰離子的情況下形成枝晶。避免這一后果要從電池出廠時的測試來保證??傊瑱z測合格的錳酸鋰電池一般不會發(fā)生安全事故。因為,錳酸鋰穩(wěn)固的結構使其氧化性能遠遠低于鈷酸鋰,即使外部短路(而非內部短路),也基本能避免析出金屬鋰引發(fā)燃燒和爆炸。
四、磷酸鐵鋰電池:這是一種理想的動力電池,可用于電動工具和動力汽車等,磷酸鐵鋰的理論容量是170mAh/g,做成材料的實際可達容量為160mAh/g。在安全性上,磷酸鐵鋰熱穩(wěn)定高,電解液氧化能力低,因而安全性高;但其缺陷是電導率低,需要改性技術來提高,結果,體積過大,電解液用量多。而且,由于容量大,電池的一致性較差,目前,磷酸鐵鋰技術還在研究中
鋰電池目前的主要市場在于便攜式終端設備的應用,譬如手機,筆記本電腦,這使得高容量一度成為鋰電池開發(fā)的主攻方向,但在電動汽車和大型儲電設備充分發(fā)展的背景下,鋰離子電池研發(fā)的主要方向也呈現(xiàn)出多樣化的趨勢。
傳統(tǒng)的移動終端市場,例如手機和筆記本電腦之所以要求電池高容量,是因為它們往往需要充電一次即可使用很長時間,使用起來更加方便。風靡全球的蘋果iphone和ipad等就曾一度因一次充電后使用時間不長而遭到消費者批評,因此,在新款的the new ipad發(fā)布時,原有的6500mAh容量鋰電池就改為使用14000mAh大容量鋰電池。這件事情可以看作便攜式終端用充電電池的研發(fā)以高容量為方向的證明,為此,甚至不惜犧牲壽命也要實現(xiàn)高容量,而對壽命的要求一般就是2年左右即可。
但是,在電動汽車時代到來后,鋰離子電池研發(fā)的方向就就不再只是一味高容量的發(fā)展方向,現(xiàn)在的電動汽車主要包括混合動力車、插電式混合動力車和純電動汽車三種類型。對于混合動力車而言,在加速和減速時需要大電力交換,因此,高功率型的電池較為理想。反之,純電動汽車因為只靠動力鋰電池提供電能,因此更需要大容量的支持,插電式混合動力車則介于二者之間
由此可以得知:在高功率鋰電池要求上,混合動力車>插電式混合動力車>純電動汽車;而在大容量鋰電池要求上恰好相反,純電動汽車>插電式混合動力車>混合動力車。當然,這是在不同電動汽車內部的比較,從整體上來說,電動汽車用鋰電池在容量和功率上的要求比便攜終端高出若干倍,同時也要求更高的壽命和安全性,如果不這樣則無法進入產業(yè)化階段。
固定裝置用途的大型儲能設施對比電動汽車的性能要求也是提高了若干倍,單從安全性來說,對于大樓蓄電系統(tǒng)及家用蓄電系統(tǒng)而言,必須具備發(fā)生火災時不會燃燒的“高”安全性能,而電動汽車和便攜終端用鋰電池顯然不具備這種要求。固定裝置用途的儲能設施內部也可以劃分出不同的主要訴求。對用于夜間儲電白天放電的高峰期轉換為代表的電網電力而言,要求電池具備大容量,如樓宇系統(tǒng)用儲能設施鋰電池。而對于光伏發(fā)電和風力發(fā)電來說,就必須使用對輸出功率變化具有較高耐性的高功率電池,因為受自然因素影響極大,這兩種發(fā)電裝置輸出功率變化較大。
隨著鋰電池向大型機器應用的過渡和轉變,使得鋰電池自身要解決根本問題日漸多起來,因而出現(xiàn)了結合鋰離子電池與傳統(tǒng)雙層電容器優(yōu)點的鋰離子電容器,也有開發(fā)新型氧化還原液流電池的新技術處于同步研發(fā)階段,未來鋰電池的道路還很遠。














