三元鋰電池的基本知識(shí)講解
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-10-11 19:01
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什么是三元鋰電池？
在自然界中，鋰是最輕的金屬，原子質(zhì)量最小。其原子量為6.94g/mol，P=0.53g/cm3。鋰是一種高比能材料，由于其化學(xué)性質(zhì)活潑，易失電子和氧化成鋰離子。因此，標(biāo)準(zhǔn)電極電位最負(fù)，為-3.045v，電化學(xué)當(dāng)量最小，為0.26g/ah。三元鋰電池是以鎳、鈷、錳氧化物為正極材料的鋰二次電池。它結(jié)合了鋰鈷氧化物良好的循環(huán)性能、鋰鎳氧化物的高比容量、錳酸鋰的高安全性和低成本，通過分子混合、摻雜、包覆和表面改性等手段協(xié)同合成鎳鈷錳氧化物。鋰離子蓄電池是目前研究和應(yīng)用較為廣泛的一種電池。
三元鋰電池的理論壽命約為800次循環(huán)，在商用可充鋰電池中處于中等水平。磷酸鐵鋰大約有2000個(gè)循環(huán)，而鈦酸鋰據(jù)說可以達(dá)到10000個(gè)循環(huán)。目前，主流電池廠商承諾的三元電池規(guī)格（標(biāo)準(zhǔn)條件下充放電）超過500倍。但電池裝入電池后，由于一致性問題，電池的循環(huán)壽命約為400次，主要原因是電壓和內(nèi)阻不能完全相同。制造商建議soc使用窗口為10%~90%。不建議深度充放電。否則會(huì)對(duì)電池正負(fù)極結(jié)構(gòu)造成不可逆的損傷。按淺充淺放計(jì)算，循環(huán)壽命至少為1000次。另外，如果鋰電池經(jīng)常在高倍率、高溫環(huán)境下放電，電池壽命將大大縮短到200倍以下。
三元鋰電池的優(yōu)缺點(diǎn)
三元鋰電池因其容量平衡、安全性好，是一種綜合性能優(yōu)良的電池。三種金屬元素的主要功能及優(yōu)缺點(diǎn)如下：
co3+：降低混合陽離子的占有率，穩(wěn)定材料的層狀結(jié)構(gòu)，降低阻抗值，提高導(dǎo)電率，改善循環(huán)和速率性能。
Ni2+：能增加材料的容量（增加材料的體能密度）。由于li和ni的半徑相近，過量的ni也會(huì)導(dǎo)致li與ni的位錯(cuò)混合。鋰層中鎳離子濃度越高，層狀結(jié)構(gòu)中的鋰越難分離，導(dǎo)致電化學(xué)性能較差。
mn4+：不僅可以降低材料成本，還可以提高材料的安全性和穩(wěn)定性。但是，過量的mn含量很容易導(dǎo)致尖晶石相的形成，破壞層狀結(jié)構(gòu)，從而降低材料的承載能力和循環(huán)衰減。
高能量密度是三元鋰電池的最大優(yōu)點(diǎn)。電壓平臺(tái)是衡量鋰電池能量密度的重要指標(biāo)。它決定了電池的基本效率和成本。電壓平臺(tái)越高，比容量越大。因此，相同體積、重量甚至安全時(shí)間的電池具有更長的使用壽命，具有更高電壓平臺(tái)的三元鋰電池。三元鋰電池的放電電壓平臺(tái)為3.7v，磷酸鐵鋰為3.2v，鈦酸鋰僅為2.3v，因此從能量密度的角度來看，三元鋰電池相對(duì)于磷酸鐵鋰、錳酸鋰或鈦酸鋰具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。
安全性差、循環(huán)壽命短是三元鋰電池的主要缺點(diǎn)，特別是其安全性能一直是制約其大規(guī)模配置和大規(guī)模集成應(yīng)用的主要因素。大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，大容量三元電池很難通過針刺、過充等安全測(cè)試，這也是錳元素經(jīng)常被引入大容量電池甚至混合錳酸鋰一起使用的原因。鋰電池500次循環(huán)的循環(huán)壽命低于中等水平，因此三元鋰電池的主要應(yīng)用領(lǐng)域是3C數(shù)碼等消費(fèi)電子產(chǎn)品。
目前，新能源汽車的主流電池技術(shù)路線有磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池兩種。雖然這兩款電池在很多應(yīng)用領(lǐng)域都有競(jìng)爭(zhēng)，但新能源汽車領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)是主線，因?yàn)檫@是中國最大的鋰電池應(yīng)用場(chǎng)景。既然有競(jìng)爭(zhēng)，就必須有比較。電池性能價(jià)格比的比較取決于車輛的價(jià)格?？梢赃M(jìn)行三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池的性能比較，有必要通過設(shè)定條件得到兩種電池的實(shí)際參數(shù)。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室、新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)和動(dòng)力電池生產(chǎn)企業(yè)的試驗(yàn)，雖然每次試驗(yàn)的具體參數(shù)略有差異，但對(duì)兩種電池性能的判斷趨于一致。為此，我們替換表參數(shù)進(jìn)行比較。
1。巴士選擇比亞迪，汽車選擇特斯拉。這是兩者在體積上的區(qū)別。從目前的技術(shù)來看，三元鋰電池的能量密度一般為200wh/kg，未來可能達(dá)到300wh/kg。目前，磷酸鐵鋰電池基本在100～110wh/kg之間徘徊，個(gè)別電池可達(dá)到130～150wh/kg，但突破200wh/kg難度很大。因此，三元材料動(dòng)力電池可以提供兩倍于磷酸鐵鋰的空間，這對(duì)于空間有限的汽車非常重要。特斯拉生產(chǎn)三元鋰電池，比亞迪生產(chǎn)磷酸鐵鋰電池。因此，有一種說法是“比亞迪代表公共汽車，特斯拉代表汽車”。
2.同樣，三元鋰電池新能源汽車由于能量密度高、重量輕、占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，耗電量小，速度快、續(xù)航力強(qiáng)。因此，該車使用三元鋰電池可以跑得更遠(yuǎn)，而磷酸鐵鋰新能源車基本上仍用于城市公交車，因?yàn)槎掏拘旭傂枰潆姌对诙叹嚯x內(nèi)充電。
3。當(dāng)然，在客車中使用磷酸鐵鋰電池的核心是基于安全考慮。特斯拉汽車失火事故不止一次，原因是：特斯拉的電池組由約7000塊18650三元鋰電池組成，這些電池單元或整個(gè)電池組如果發(fā)生內(nèi)部短路將產(chǎn)生明火，遭遇極端碰撞事故，短路點(diǎn)火。磷酸鐵鋰材料在短路時(shí)不會(huì)燃燒，其耐高溫性能遠(yuǎn)優(yōu)于鋰三元電池。
5。雖然磷酸鐵鋰電池具有耐高溫性能，但三元鋰電池具有較好的耐低溫性能，是制造低溫鋰電池的主要技術(shù)路線。在零下20攝氏度時(shí)，三元鋰電池可以釋放70.14%的容量，而磷酸鐵鋰電池只能釋放54.94%的容量。此外，在低溫條件下，三元磷酸鋰電池的放電平臺(tái)遠(yuǎn)高于磷酸鐵鋰電池的電壓平臺(tái)。它移動(dòng)得更快。
5。三元鋰電池的充電效率較高。鋰電池采用限流限壓的方法充電，即在電流大、效率高的情況下，第一階段恒流充電。恒流充電達(dá)到一定電壓后，進(jìn)入第二階段恒流充電。此時(shí)電流小，效率低。因此，用恒流充電與電池總?cè)萘恐葋砗饬績蓚€(gè)電池的充電效率，即恒流充電比。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在10c以下充電時(shí)，二者差別不大，但在20c充電時(shí)，三元鋰電池的恒流比為52.75%，磷酸鐵鋰電池的恒流比為10.08%，前者為后者的5倍。
6.在循環(huán)壽命方面，磷酸鐵鋰電池優(yōu)于三元鋰電池。三元鋰電池的理論壽命為2000個(gè)循環(huán)，但當(dāng)循環(huán)基本為1000個(gè)循環(huán)時(shí)，電池容量下降到60%。即使是業(yè)內(nèi)最好的品牌特斯拉，在3000次循環(huán)后也只能維持70%的電量，而磷酸鐵鋰電池在同一次循環(huán)后也有80%的容量。
