鋰電池的材料主要包括四部分，正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)和隔膜。由于正極材料的不同，鋰電池可分為三類：三元鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰。看完這篇文章后，你將了解這些鋰離子電池。

 

三元鋰離子電池

三元聚合物鋰電池是一種使用鋰鎳、鈷和錳三元正極材料的鋰離子電池。鋰離子電池的正極材料有很多種，主要有鈷酸鋰、錳鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。三元材料結(jié)合了鈷鋰、鎳鋰和錳鋰的優(yōu)點(diǎn)，具有容量大、成本低、安全性好等優(yōu)異特性，并逐步占據(jù)鋰離子電池的一定市場(chǎng)份額。在動(dòng)力鋰電池領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。

 

 

鈷對(duì)鋰離子電池至關(guān)重要。然而，鈷價(jià)格昂貴且有毒。近年來(lái)，日本和韓國(guó)的主要公司以及中國(guó)電池制造商一直在努力減少電池中的鈷含量。在這一趨勢(shì)下，由鎳鹽、鈷鹽和錳鹽制備的鎳鈷錳酸鋰三元材料正在逐步推廣。從化學(xué)特性來(lái)看，三元材料屬于過(guò)量的金屬氧化物，電池的能量密度很高。

盡管鈷在三元材料中的作用仍然不可或缺，但質(zhì)量分?jǐn)?shù)通?？刂圃?0%左右，成本顯著降低。它還具有鋰鈷和鋰鎳的優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，隨著產(chǎn)量的增加，以三元材料為正極材料的鋰離子電池取代商用鋰鈷氧化物的趨勢(shì)已經(jīng)非常明顯。

 

 

從電動(dòng)汽車到智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備或充電寶，這項(xiàng)新技術(shù)完美運(yùn)作。特斯拉是第一個(gè)將三元鋰離子電池應(yīng)用于電動(dòng)汽車的公司。Model S的續(xù)航里程可達(dá)486公里，電池容量可達(dá)85kWh。使用8142節(jié)3.4AH松下18650電池。

從全球范圍來(lái)看，三元材料的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)正在不斷推進(jìn)。在這一過(guò)程中，材料性能得到了極大的提高，應(yīng)用領(lǐng)域得到了一次又一次的拓展。日本和韓國(guó)企業(yè)是三元鋰離子電池研發(fā)的領(lǐng)導(dǎo)者。中國(guó)三元材料生產(chǎn)始于2005年左右，至今已有十多家大型企業(yè)。

 

磷酸鐵鋰電池

近年來(lái)，磷酸鐵鋰僅作為鋰動(dòng)力電池的材料出現(xiàn)，大容量磷酸鐵鋰電池于2005年在中國(guó)開(kāi)發(fā)。其安全性能和循環(huán)壽命與其他材料相當(dāng)，這些也是動(dòng)力電池最重要的技術(shù)指標(biāo)。1C充放電的磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命可達(dá)2000次。如果你對(duì)單個(gè)30V磷酸鐵鋰電池過(guò)度充電，它不會(huì)燃燒，而且在被擊穿時(shí)也不會(huì)爆炸。由磷酸鐵鋰正極材料制成的大容量鋰離子電池更容易串聯(lián)使用，以滿足電動(dòng)汽車頻繁充電和放電的需求。

 

磷酸鐵鋰是新一代鋰離子電池的理想正極材料

磷酸鐵鋰具有無(wú)毒、無(wú)污染、安全性能好、原料來(lái)源廣、價(jià)格低廉、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是新一代鋰離子電池的理想正極材料。但磷酸鐵鋰電池也有其缺點(diǎn)。例如，磷酸鐵鋰正極材料的振動(dòng)密度較小，且同等容量的磷酸鐵鋰電池體積大于鈷酸鋰和其他鋰離子電池，因此在微型電池方面不具有優(yōu)勢(shì)。

由于磷酸鐵鋰的固有特性，其低溫性能不如其他正極材料如錳酸鋰。在正常情況下，對(duì)于單個(gè)電池（注意：我們所說(shuō)的是單個(gè)電池組，而不是電池組。測(cè)得的低溫性能可能稍高，這與散熱條件有關(guān)），當(dāng)溫度為0℃時(shí)，其容量保持率約為60~70%，10℃時(shí)為40~55%，20℃時(shí)為20~40%。這樣的低溫性能顯然不能滿足電源的要求。目前，一些制造商通過(guò)改進(jìn)電解液系統(tǒng)、改進(jìn)陰極配方、改進(jìn)材料性能和改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多種方法來(lái)提高磷酸鐵鋰的低溫性能。

 

 

電池存在一致性問(wèn)題。單個(gè)磷酸鐵鋰電池的壽命目前超過(guò)2000次循環(huán)，但電池組的壽命將顯著縮短，可能會(huì)縮短500次循環(huán)。因?yàn)殡姵亟M由大量單獨(dú)的電池串在一起，所以它的工作方式就像一群人在繩子上一起跑。即使每個(gè)人都是一名優(yōu)秀的短跑運(yùn)動(dòng)員，如果他們的動(dòng)作不一致，團(tuán)隊(duì)也不會(huì)跑得很快，整體速度甚至?xí)茸盥膫€(gè)人跑者還要慢。類似地，只有當(dāng)電池的性能高度一致時(shí)，電池壽命才能接近單個(gè)電池的壽命。

 

錳酸鋰離子電池

錳酸鋰是一種很有前途的鋰離子電池負(fù)極材料。與鈷酸鋰錳酸鋰等傳統(tǒng)正極材料相比，它具有資源豐富、成本低、無(wú)污染、安全性高、性能比高等優(yōu)點(diǎn)，是理想的動(dòng)力電池正極材料，但其循環(huán)性和電化學(xué)穩(wěn)定性較差，極大地限制了其產(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(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)。現(xiàn)在市場(chǎng)上的產(chǎn)品都使用這種結(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。由于三維隧道結(jié)構(gòu)，鋰離子可以可逆地從尖晶石的晶格中移除，并且不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的坍塌。因此，它具有優(yōu)異的速率性能和穩(wěn)定性。

 

如今，鋰錳的能量密度低和循環(huán)性能差的傳統(tǒng)缺點(diǎn)得到了極大改善。表面改性和摻雜可以有效地改變其電化學(xué)財(cái)產(chǎn)，表面改性可以有效地抑制錳的溶解和電解質(zhì)的分解。摻雜可以有效抑制充電和放電過(guò)程中的Jahn-teller效應(yīng)。表面改性和摻雜的結(jié)合無(wú)疑可以進(jìn)一步改善材料的電化學(xué)特性，相信它將成為尖晶石錳酸鋰改性的未來(lái)研究方向之一。