高電壓鋰離子電池主要材料及工藝進展現(xiàn)狀詳解
來源：寶鄂實業(yè)
2019-06-28 14:37
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隨著用電設(shè)備對鋰離子電池容量要求的不斷提高，人們對鋰離子電池能量密度提升的期望越來越高。特別是智能手機、平板電腦、筆記本電腦等各種便攜設(shè)備，對體積小、待機時間長的鋰離子電池提出了更高的要求。同樣在其他用電設(shè)備，如：儲能設(shè)備、電動工具、電動汽車等也在不斷開發(fā)出質(zhì)量更輕、體積更小、輸出電壓和功率密度更高的鋰離子電池，所以發(fā)展高能量密度的鋰離子電池是鋰電池行業(yè)的重要研發(fā)方向。
一 高電壓鋰離子電池開發(fā)的背景
為了設(shè)計高能量密度的鋰離子電池，除了對其空間利用率的不斷優(yōu)化，提高電池正負極材料的壓實密度和克容量，使用高導電碳納米和高分子粘接劑來提高正極和負極活性物質(zhì)含量外，提升鋰離子電池的工作電壓也是增大電池能量密度的重要途徑之一。
在鋰離子電池的截止電壓正由原來的4.2V逐步過渡到4.35V、4.4V、4.45V、4.5V和5V，其中5V鎳錳鋰離子電池具有高能量密度、高功率等優(yōu)異特性，將是未來新能源汽車及儲能領(lǐng)域發(fā)展的重要方向之一。隨著電源研發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，將來更高電壓、更高能量密度的鋰離子電池將逐漸走出實驗室，為消費者服務(wù)。
二 高電壓鋰離子電池應(yīng)用現(xiàn)狀
通常說的高電壓鋰離子電池是指單體充電截止電壓高于4.2V的電池，如：在手機上使用的鋰離子電池，截止電壓由4.2V發(fā)展到4.3V、4.35V，再到4.4V（小米手機、華為手機等）。目前4.35V和4.4V的鋰離子電池已在市場上成熟使用，4.45V和4.5V也開始受到市場青睞，逐步會發(fā)展成熟起來。
目前國內(nèi)外手機和其他數(shù)碼類電子產(chǎn)品電池的生產(chǎn)廠家都在朝著高電壓鋰離子電池這個方向前進。高電壓及高能量密度的鋰離子電池在高端手機及便攜式電子設(shè)備上會有更大的市場空間。正極材料和電解液是提高鋰離子電池高電壓的關(guān)鍵性材料，其中改性高電壓鈷酸鋰、高電壓三元材料的使用將更加成熟和普遍。
高電壓鋰離子電池隨著電壓的提升，在使用過程中某些安全性能會降低，因此在動力汽車上還沒有批量使用。目前動力汽車所用電池正極材料主要還是以三元材料、磷酸鐵鋰為主。為了提升能量密度滿足需求，一般選擇811NCM和NCA等高鎳正極材料、高容量硅碳負極或提高電池空間的利用率等方式來提升其能量密度和續(xù)航能力
三 高電壓鋰離子電池主要材料及工藝進展現(xiàn)狀
高電壓鋰離子電池的性能主要是由活性材料和電解液的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)所決定的，其中正極材料是最關(guān)鍵的核心材料，電解液的匹配作用也十分重要。以下主要分析目前高電壓正極材料的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。
1、高壓鈷酸鋰材料的研究現(xiàn)狀
目前研究和應(yīng)用最廣泛的高電壓正極材料是鈷酸鋰，它具有二維層狀。結(jié)構(gòu)，α-NaFeO2型，更適合于鋰離子的嵌入和脫出。鈷酸鋰的理論能量密度274mAh/g，其具有生產(chǎn)工藝簡單且電化學性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點，因此市場占有率較高。鈷酸鋰材料在實際應(yīng)用中只有部分的鋰離子能夠可逆的進行嵌入和脫出，其實際能量密度大約為167mAh/g（工作電壓為4.35V）。提升其工作電壓可以顯著提高其能量密度，例如將工作電壓由4.2V提升至4.35V其能量密度可以增加16%左右。
但是在高電壓下鋰離子多次從材料中嵌入和脫出會使鈷酸鋰的結(jié)構(gòu)從三方晶系到單斜晶系發(fā)生轉(zhuǎn)變，此時鈷酸鋰材料不再具有嵌入和脫出鋰離子的能力，同時正極材料的顆粒發(fā)生松動并從集流體上脫落，導致電池的內(nèi)阻變大，電化學性能變差。
目前鈷酸鋰正極材料的改性，主要還是從摻雜和包覆2個方面對材料的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和界面穩(wěn)定性進行提升。
目前鈷酸鋰高電壓材料在高能量密度電池中已批量使用，如高端手機電池廠家對電池性能的要求越來越高，其中主要體現(xiàn)在對能量密度的更高要求，例如以碳作為負極的4.35V手機電池能量密度要求在660Wh/L左右，4.4V手機電池已達到740Wh/L左右，這就要求正極材料具有更高的壓實密度、更高的空量發(fā)揮，以及在高壓實和高電壓下的材料結(jié)構(gòu)具有更好的的穩(wěn)定性。但鈷酸鋰電極材料存在鈷資源匱乏且價格昂貴等缺點，此外鈷離子具有一定的毒性，這些缺陷限制了其在動力電池中的廣泛應(yīng)用。
2、三元材料的研究現(xiàn)狀
為了降低鈷的用量及提高電池的安全性能，研究者開始致力于層狀三元高電壓材料（LiNixCoyMn1-x-yO2或LiNixCoyAl1-x-yO2）的研究。在該類三元材料中，鎳（Ni）元素起到提供容量的作用，鈷（Co）能夠減少鋰（Li）與Ni的混排，錳（Mn）或鋁（Al）能提高層狀材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而提升電池的安全性能。該類電池主要用于一般常規(guī)數(shù)碼電池，如：充電寶、商務(wù)備用電池等，視作鈷酸鋰的代用品，提高電池的價格競爭力，以鎳鈷錳比例為5∶2∶3為最常見。
在動力汽車方面有不少廠家在試用，其提高能量密度的方式，主要是提高單體鋰離子電池的工作電壓和增加三元材料中的鎳含量，但目前行業(yè)還都在開發(fā)階段，沒有批量產(chǎn)品。這主要是目前動力電池首先要滿足電池的高安全性、一致性、低成本和長壽命，容量的提高還不是首要問題。
三元材料的主要問題是隨著鎳含量的提高，材料的堿性變強，對電池制作工藝和環(huán)境的要求越來越高;同時材料的熱穩(wěn)定性降低，在循環(huán)過程中會釋放氧氣，導致材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差;在充電狀態(tài)下，鎳具有較強的氧化性，對電解液的匹配性也提出了更高的要求。所以三元電極材料在推廣和使用上局限性較高。
、高電壓電解液的研究現(xiàn)狀
高電壓鋰離子電池雖然在提高電池的能量密度方面有較大貢獻，但也存在諸多問題。隨著能量密度提升，一般正負極的壓實密度都比較大，電解液浸潤性變差，保液量降低。低保液量會導致電池的循環(huán)和存儲性能變差。近年來隨著高電壓正極材料的不斷涌現(xiàn)和應(yīng)用，常規(guī)碳酸酯和六氟磷酸鋰體系，在4.5V以上電壓電池中會發(fā)生分解，循環(huán)性能差，高溫性能差等電池性能的下降，已不能完全滿足高電壓鋰離子電池的要求。因此研究匹配這些高壓正極材料的電解液體系具有十分重要的意義。
針對高壓實密度帶來的電解液浸潤性差的問題，電解液設(shè)計方面不斷在篩選氧化電位高且黏度小的溶劑，來達到高壓實電池的性能要求。另外也在使用可以提高電解液浸潤性的添加劑或氟代溶劑來改善，效果也比較明顯。
通用Chevy Volt電動車的出廠設(shè)計就是強制將電池電量維持在20%至80%，而蘋果筆電的內(nèi)置電池可能也是運用了這一方法（包括其他一些筆電和電子產(chǎn)品），讓電池的可充放電周期數(shù)增加。
不要將鋰電池（尤其是筆記本鋰電池）長期在設(shè)備使用外接電源的情況下工作。就算您的筆記本散熱良好，長期百分之100的電量就等于對鋰電池的謀殺。
1. 如果你長期用外接電源為筆記本電腦供電，或者電池電量已經(jīng)超過80%，馬上取下你筆記本的電池、平時充電不需將電池充滿，充至80%左右即可；調(diào)整操作系統(tǒng)的電源選項，將電量警報調(diào)至20%以上，平時電池電量最低不要低于20%，在下降到20%以前即要進行充電；
2. 手機等小型電子設(shè)備，充好電了就應(yīng)立刻斷開電源線（包括充電功能的USB接口），一直接著會損害電池；要經(jīng)常充電，記起來就充，但不必非得把電池充滿；
3. 無論是對筆記本還是手機等，都一定不要讓電池耗盡；
4. 如果要外出旅行，把電池充滿吧，但請記得在條件允許的情況下隨時為電器充電，為了電池壽命，一定不要等到電池放干。
每次跟朋友提到，公司是生產(chǎn)鋰電池的。朋友第一反應(yīng)都是“生產(chǎn)手機里的電池嗎”？所以我每次都不得不巴拉巴拉跟朋友解釋一遍。將我們公司的簡介從頭到尾老老實實給走一遍“深圳市美安時電子有限公司成立于2011年，是一家集鋰離子電池模組，配套充電器和適配器自主研發(fā)、生產(chǎn)和銷售為一體的國家高新技術(shù)企業(yè)。 產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于軍工設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、安防監(jiān)控設(shè)備、金融設(shè)備、通信設(shè)備、儀器儀表、后備式電源、消費電子等領(lǐng)域”
其實隨著新能源的不斷開發(fā)，國民環(huán)保意識的不斷加強，鋰離子電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于更高科技、更稀有的工業(yè)領(lǐng)域了。
像天上飛的-應(yīng)用于無人機領(lǐng)域的聚合物鋰電池產(chǎn)品，諸如農(nóng)民伯伯的無人機駕駛噴灑農(nóng)藥飛機。最常見的參數(shù)10Ah、16Ah、21Ah，22.2V。
像地上跑的-應(yīng)用于AGV小車領(lǐng)域的鋰電池組產(chǎn)品，統(tǒng)稱不需駕駛員的搬運車。常見的參數(shù)有40Ah、70Ah、140Ah，24V。
像我們最最不想去的醫(yī)院，也有很多儀器用到鋰電池組，例如用于心電監(jiān)護儀、呼吸機、除顫儀、便攜式B超等。
還有像貼身的發(fā)熱衣、發(fā)熱鞋等等，都有鋰電池能源的應(yīng)用。偷偷告訴你，我們?nèi)w銷售人員窮盡對鋰電池市場羅列了一遍，整整有125個呢。所以，可見而知，生活中鋰電池產(chǎn)品已成了不可或缺的一份子。所以啊，大家伙可是很有必要留意下，你生活中有哪些儀器、設(shè)備、產(chǎn)品是用鋰電池的，要不然每次要解釋一遍也挺費勁，而且我也覺得大家伙有點low。哈哈，好了，又到結(jié)尾了，咱們青山不改、綠水長流，下次見。
