三元物質(zhì)
三元聚合物鋰電池是采用鋰-鎳鈷三元正極材料制成的鋰電池,主要用鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。三元材料綜合了鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰三種材料的優(yōu)點,具有容量大、成本低、安全等優(yōu)良性能,在小型鋰電領(lǐng)域占有一定的市場份額,并在動力鋰電領(lǐng)域具有良好發(fā)展前景。
鈷金屬是鋰電池不可缺少的材料。但金屬鈷一方面價格高,一方面有毒性,不管是日韓技術(shù)領(lǐng)先企業(yè)還是國內(nèi)電池廠商,近年來都致力于電池“少鈷化”。隨著這一趨勢的發(fā)展,由鎳鹽、鈷鹽、錳鹽等三元材料生產(chǎn)的鎳鈷錳酸鋰逐漸被人們所重視。根據(jù)化學(xué)性質(zhì),三元材料屬于過氧化性金屬氧化物,電池具有較高的能量密度。
雖然鈷對三元材料的作用仍然是不可或缺的,但是其質(zhì)量分數(shù)一般控制在20%左右,從而大大降低了成本。也兼有鈷酸鋰與鎳酸鋰之優(yōu)點。近幾年來,隨著國內(nèi)外廠商對三元材料正極材料鋰電池替代商用鈷酸鋰的發(fā)展趨勢日益明顯。
電動汽車、智能手機、可穿戴設(shè)備、充電寶等新技術(shù)的出現(xiàn),這些新的技術(shù)完全適用。ModelS續(xù)航里程可達486公里,電池容量為85kWh,使用了8142節(jié)3.4AH的松下18650型電池,這是第一次將三元電池應(yīng)用于電動車。電池組每個電池組均按一塊一塊地分布,最后形成一整塊電池組,電池組位于車體底部。
在世界范圍內(nèi),三元材料的研究開發(fā)和生產(chǎn)是各方面不斷推進的。這一過程大大提高了材料的性能,并不斷擴大應(yīng)用范圍。天,韓企業(yè)在三元材料電池的研究開發(fā)中處于領(lǐng)先地位。我國三元材料生產(chǎn)從2005年前后開始,至今已經(jīng)有十余家規(guī)模企業(yè)。
鐵鋰磷酸鹽
磷酸鐵鋰作為動力電池材料是近年來才出現(xiàn)的事情,我國還在2005年開發(fā)了大容量磷酸鐵鋰電池。它的安全性和循環(huán)壽命是其他材料無法比擬的,這正是動力電池最重要的技術(shù)指標(biāo)。1C充放器循環(huán)壽命可達2000次。單節(jié)電池充電壓力為30V不燃燒,穿刺不爆炸。在電動汽車中,磷酸鐵鋰正極材料使大容量鋰離子電池易于串聯(lián)使用,滿足電動汽車頻繁充電的需要。
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,是新一代鋰離子電池理想的正極材料。磷酸鐵鋰電池也有自身的缺點,如磷酸鐵鋰正極材料的振動密度小,等容量磷酸鐵鋰電池比鈷酸鋰等鋰離子電池更大,因而在微電池上沒有優(yōu)勢。
磷酸鐵鋰材料本身的特性決定了它的低溫性能優(yōu)于其它正極材料如錳酸鋰。一般說來,就單個核心所測得的低溫性能而言,如果只有一個,而不是一個電池組,就在散熱條件方面所測到的較低溫度,它在0℃的時候容量保持率在60~70%左右,在-10℃的時候是40~55%,-20℃是20~40%。這種低溫性能顯然不能滿足電源的使用要求。目前部分廠家通過改進電解液體系、改進正極配方、提高材料性能、改進電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計等措施,可提高磷酸鐵鋰的低溫性能。
電池組有一致性問題。一款磷酸鐵鋰電池的使用壽命超過了2000次,但是電池的使用壽命卻很短,可能是500次。由于電池組是由一大批單電池串并組成的,它的工作狀態(tài)就像一群人用繩索綁在一起奔跑,即使每一個人都是短跑高手,如果每個人的動作一致性不高,隊伍就會跑不快,整體速度甚至比跑得最慢的單個選手的速度更慢。同理,電池只有當(dāng)電池性能高度一致時,電池壽命才會接近單電池水平。
錳酸鋰
與傳統(tǒng)的正極材料如鈷酸鋰相比,錳酸鋰資源豐富、價格低廉、無污染,是一種很有發(fā)展前景的鋰離子正極材料。安全可靠,倍率性能好,是一種理想的動力電池正極材料,但是其不良的循環(huán)性能和電化學(xué)穩(wěn)定性極大地制約了其產(chǎn)業(yè)化。錳酸鋰主要由尖晶石型錳酸鋰和層狀結(jié)構(gòu)錳酸鋰組成,其中尖晶石型錳酸鋰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,易于工業(yè)化生產(chǎn),目前市場上已采用這種結(jié)構(gòu)。尖晶石型錳酸鋰是一種立方晶系,理論比容量為148mAh/g,由于其具有三維隧道結(jié)構(gòu),使得鋰離子在尖晶石格子內(nèi)可逆脫嵌,且不會造成結(jié)構(gòu)塌陷,具有優(yōu)良的倍率性能和穩(wěn)定性。
目前錳酸鋰的能量密度較低,循環(huán)性能較差這一缺點已被普遍接受(萬力新能典型值為123mAh/g,400mAh/g,高循環(huán)型典型值107mAh/g,2000次)。改性和摻雜可以有效地改善其電化學(xué)性能,而表面修飾可以有效地抑制錳的溶解和電解分解。摻雜能有效地抑制充放電過程中的Jahn-Teller效應(yīng)。這一研究結(jié)果表明,表面修飾和摻雜可以進一步改善該材料的電化學(xué)性能,是今后尖晶石型錳酸鋰改性研究的方向之一。