分析三大鋰電池類型
來源：寶鄂實業(yè)
2019-10-19 19:38
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三元材料
三元聚合物鋰電池是以鋰鎳鈷錳三元正極材料為正極材料的鋰電池。鋰離子電池正極材料種類繁多，包括鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等，三元材料綜合了鋰鈷、鋰鎳、鋰錳三種材料的優(yōu)點。它們具有容量大、成本低、安全性好等優(yōu)良特性。它們在小型鋰電池中逐漸占據(jù)一定的市場份額，在動力鋰電池領域具有良好的發(fā)展前景。
鈷是鋰電池的基本材料。然而，金屬鈷一方面是昂貴的和有毒的。近年來，無論是技術領先的日韓企業(yè)，還是國內(nèi)電池制造商，都致力于“少鈷”電池。在這一趨勢下，以鎳鹽、鈷鹽和錳鹽為原料制備的鎳鈷錳酸鋰三元材料逐漸受到人們的青睞。從化學性質(zhì)的角度看，三元材料屬于過量金屬氧化物，電池能量密度高。
雖然鈷在三元材料中的作用仍然是必不可少的，但其質(zhì)量分數(shù)通?？刂圃?0%左右，大大降低了成本。同時，它具有鋰鈷和鋰鎳的優(yōu)點。近年來，隨著國內(nèi)外廠商產(chǎn)量的不斷增加，以三元材料為正極材料的鋰電池替代商用鈷酸鋰的趨勢十分明顯。
從電動汽車到智能手機、可穿戴設備或充電電池，這項新技術完全適用。特斯拉[微博]首先將三元電池應用到電動汽車上。S型的續(xù)航里程為486公里，電池容量為85千瓦時。它使用8142松下18650電池和3.4Ah。工程師將把這些電池以磚塊和碎片的形式一塊一塊地分發(fā)，形成一個完整的電池組，位于車身底部。
從全球范圍看，三元材料的研發(fā)和生產(chǎn)不斷推進。在這一過程中，材料的性能得到了很大的提高，應用領域也得到了一次又一次的拓展。日韓企業(yè)是三元材料電池研發(fā)的領軍企業(yè)。我國三元材料的生產(chǎn)始于2005年左右，目前已有十多家大型企業(yè)。
磷酸鐵鋰
磷酸鐵鋰是近年來出現(xiàn)的一種鋰動力電池材料。我國大容量磷酸鐵鋰電池的發(fā)展是在2005年。其安全性能和循環(huán)壽命是其他材料無法比擬的，也是動力電池最重要的技術指標。1c的循環(huán)壽命為2000次。單體電池的過充電壓為30V，不燃不爆。采用磷酸鐵鋰正極材料制成的大容量鋰離子電池易于串聯(lián)使用，以滿足電動汽車頻繁充放電的需要。
磷酸鐵鋰具有無毒、無污染、安全性能好、原料來源廣泛、價格低廉、使用壽命長等優(yōu)點。它是新一代鋰離子電池的理想正極材料。磷酸鐵鋰電池也有缺點，如磷酸鐵鋰正極材料的振動密度小，等容量磷酸鐵鋰電池的體積比鈷酸鋰等鋰離子電池大，在微型電池方面沒有優(yōu)勢。
由于磷酸鐵鋰的固有特性，其低溫性能不如錳酸鋰等其他正極材料。一般來說，對于單電池（注意它是單電池而不是電池組，電池組的測量低溫性能可能稍高，這與散熱條件有關）、0℃、40-55%、-10℃和20-40%時的容量保持率。這種低溫性能明顯不能滿足供電要求。目前，一些生產(chǎn)廠家通過改進電解液體系、正極配方、材料性能和電芯結(jié)構(gòu)設計，提高了磷酸鐵鋰的低溫性能。
電池存在一致性問題。單體磷酸鐵鋰電池壽命目前超過2000次，但電池組的壽命會大打折扣，有可能是500次。因為電池組是由大量單體電池串并而成，其工作狀態(tài)好比一群人用繩子綁在一起跑步，即使每個人都是短跑健將，如果大家的動作一致性不高，隊伍就跑不快，整體速度甚至比跑得最慢的單個選手的速度還要慢。電池組同理，只有在電池性能高度一致時，壽命發(fā)揮才能接近單體電池的水平。
錳酸鋰
錳酸鋰是較有前景的鋰離子正極材料之一，相比鈷酸鋰等傳統(tǒng)正極材料，錳酸鋰具有資源豐富、成本低、無污染、安全性好、倍率性能好等優(yōu)點，是理想的動力電池正極材料，但其較差的循環(huán)性能及電化學穩(wěn)定性卻大大限制了其產(chǎn)業(yè)化。錳酸鋰主要包括尖晶石型錳酸鋰和層狀結(jié)構(gòu)錳酸鋰，其中尖晶石型錳酸鋰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，如今市場產(chǎn)品均為此種結(jié)構(gòu)。尖晶石型錳酸鋰屬于立方晶系，F(xiàn)d3m空間群，理論比容量為148mAh/g，由于具有三維隧道結(jié)構(gòu)，鋰離子可以可逆地從尖晶石晶格中脫嵌，不會引起結(jié)構(gòu)的塌陷，因而具有優(yōu)異的倍率性能和穩(wěn)定性。
如今，傳統(tǒng)認為錳酸鋰能量密度低、循環(huán)性能差的缺點已經(jīng)有了很大改觀(萬力新能典型值：123mAh/g，400次，高循環(huán)型典型值107mAh/g，2000次)。表面修飾和摻雜能有效改性其電化學性能，表面修飾可有效地抑制錳的溶解和電解液分解。摻雜可有效抑制充放電過程中的Jahn-Teller效應。將表面修飾與摻雜結(jié)合無疑能進一步提高材料的電化學性能，相信會成為今后對尖晶石型錳酸鋰進行改性研究的方向之一。
