三元锂电池分类

来源:钜大LARGE    2017-12-04    点击量:

三元锂电池概述

锂离子电池的正极材料有很多种,按正极材料的不同,可分为钴酸锂,锰酸锂,三元材料,磷酸铁锂和钛酸锂等。三元锂电池是指使用镍、钴、锰三种过渡金属氧化物作为正极材料的锂电池,由于它综合了钴酸锂,镍酸锂和锰酸锂三类材料的优点,性能优于以上任一单一组分正极材料。实验分析标明,三种不同化合价的元素形成了超晶格结构,三种组分之间存在明显的协同效应,使得材料更加稳定,且放电平台高达3.6V,因此被认为是最有应用前景的正极材料之一。三元电池具有能量密度高,安全稳定性好,支持高倍率放电等优异的电化学特性,以及价格适中的成本优势,在消费类数码电子产品,工业设备,医疗仪器等中小型锂电池领域获得了广泛应用,并在智能机器人,AGV物流车,无人机和新能源汽车等动力锂电池领域显示出了强劲的发展潜力。
 
目前对三元材料的研究主要集中在前驱体的制备,材料的合成以及电化学性能与结构的关系上。该材料中大部分过渡金属元素Ni、Co、Mn 分别以+2、+3、+4 价态存在,在充放电过程中,发生电化学反应的只有Ni2+/Ni4+和Co3+/Co4+,Mn基本不参与电化学反应,只是起到稳定材料结构的作用。关于制备方法,工业上常用的合成方法有:高温固相法,共沉淀法,溶胶-凝胶法,水热合成法,燃烧法等。三元材料是一种综合性能优越的锂电池正极材料,在一定范围内改变三种材料的摩尔配比,并加入相应的添加剂(粘结剂,导电剂,集流体等),可以得到在某一方面有突出的表现特性,比如动力型三元锂电池,容量型三元锂电池,超低温三元锂电池等等。
 

三元聚合物锂电池

三元聚合物锂电池是指正极材料使用镍钴锰酸锂(Li(NiCoMn)O2)三元正极材料,且使用凝胶聚合物电解质的锂电池。电解液作为离子运动的传输介质,一般由溶剂和锂盐组成,锂二次电池的电解液主要有液体电解液,离子液体电解液,固态聚合物电解质和凝胶聚合物电解质。凝胶聚合物电解质由聚合物,有机溶剂和锂盐组成,通过将有机电解液和固态聚合物基质混合制得。因以凝胶态形式存在,兼具了固体电解质和液体电解液的优点,由于电解液被限制在聚合物链中,在较宽的温度范围内也具有较高的离子电导率(可达10-3S/cm)。其最大的优点是隔膜机械强度高,薄膜提供了很大的表面积。薄膜越薄能量密度越高,因为更多的活性物质可以嵌入电池中。另外,其电化学稳定性也非常好,耐高温,市面上的高温电池大部分均采用聚合物电解质。
 

三元动力锂电池

所谓动力电池是指电池支持高倍率大电流放电,功率密度高,单位时间内释放的能量多。倍率放电能力指的是充放电倍率增加的情况下,电池容量的保持能力。充放电的倍率用xC表示,1C意味着电池的标称容量能在1h用完,而以2C的倍率放电则可用30min。
 
电池的动力/倍率性能与电池的设计密切相关,受多种因素的影响,比如电解液,隔膜,活性材料的类型,活性颗粒的大小等等。这些因素中间,电极的厚度是影响大电流放电能力的主要因素。倍率放电能力可以通过将电极变薄而大大改进,因为薄的电极里面具有较小的电子阻抗和离子阻抗,然而电极变薄会导致电极内更少的活性物质量,因此电池容量会减少。所以三元动力锂电池主要的技术挑战在于不减少容量的情况下增加大电流放电能力。
 
对三元动力锂电池来说,目前研究最多,技术最成熟的当属日本松下公司,实验阶段已经可以实现30C放电,其中已经成功实现商业化大规模生产的动力型18650三元锂电池放电倍率可达12C,容量也高达3300mAh。国内也有厂家做到较高的放电倍率,但电池的稳定性还有待提高,尤其在使用一段时间后,其循环寿命和倍率放电能力会大大减小。有研究报道,通过颗粒包覆和改性等方法,可以提高锂电池的倍率性能。
 

三元低温锂电池

电池的温度特性是电池可靠性的指示器,电池的性能也可通过改变环境温度来进行评估。锂电池的低温特性主要从低温放电特性和循环寿命来考察,低温电池最主要的是保持低温条件下物质的流动性,使锂离子能够自由穿梭于正负极之间,实现电池的充放电。比如使用熔点低的电解液,减小活性材料的粒径,将增强电池的低温性能,这是因为增加了锂离子的通道,在一定程度上弥补了低温下锂离子移动慢的缺陷。
 
目前国内外的三元锂电池厂家基本都能做到-20度的放电温度,且放电容量大于50%,循环寿命在400次左右,完全可以满足普通的用电器具和用电场景。但是在航空航天,军工设备等特殊产品,或者北方,高山等严寒环境下,锂电池必须能达到更低的放电工作温度以满足苛刻的使用条件。东莞市钜大电子有限公司特种电芯研究院,聚集了一大批电化学专家和行业内高工教授,凭借强大的研发团队,成功研制出低温-40度放电,且放电容量高达67%的,主要针对军工和特种应用的超低温锂电池,并成功实现商业化大批量生产。
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