【锂电池】电池性能由材料决定
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公众号EV技研作者1900 2019-7-17原创 电动汽车

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正极材料导致的差异

锂离子电池的正极材料、负极材料各种各样。表1中,

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表1


我们简单地对这些材料的差异进行了整理和汇总。以下是目前最常用的4 种正极材料。

(1)钴酸锂:LiCoO2

1991 年问世的第一个锂离子电池产品,使用的是钴酸锂。其能量密度高,主要用在以手机和笔记本电脑为代表的小型设备中。但是,钴是稀有元素,成本高。近来,同时含有镍、锰、钴的三元电极材料逐渐被镍、磷酸亚铁等所取代。

(2)锰酸锂:LiMn2O4

锰酸锂电池的特点是高电压、低价格,在汽车上的使用得到了普及。

(3)磷酸铁锂:LiFePO4

磷酸铁锂电池主产于中国,其特点是电压低,内阻较大,承受过电压能力强,经常在EV 上使用,或者用作备用电源。

(4)三元电极材料:LiNixMnyCozO2

含镍、锰、钴的三元电极材料的电池,价格低,能量密度高,综合性能优越。含镍电池中使用的镍元素,虽然不如钴元素那么稀有,但也是稀有金属,价格很高。但是它具有高能量密度这一突出特点,在EV 和燃油汽车方面的应用得到了普及。


负极材料导致的差异

锂离子电池主要使用的负极材料见表2。

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表2


(1)石墨类

1991 年问世的第一个锂离子电池产品,负极材料使用的是短晶体结构的硬(石墨)①。硬碳的特点是周期寿命长,但电压变化较大、成本高,使用范围并不广泛。与硬碳相比,长晶体结构的软碳具有能量密度高、成本低的优势。最近,成本更低的合成石墨占据了主流。

(2)锡硅材料

以汽车为代表的应用,要求电池具有大容量。因此,硅和锡基材料的研究十分盛行。但充放电时,负极的膨胀收缩率较大,导致固定活性物质的黏合剂发生剥离,不能适应长时间使用。现在,通过与碳材料合成,也在努力提高寿命。

(3)钛基材料

东芝公司在电池负极上使用了钛酸锂,虽然其能量密度低,但是可以进行快速充电,低温特性优越,周期劣化小。它被命名为“SCiB”(商品名),在EV等中得到了应用。


隔膜具有的安全功能

隔膜是为了防止负极与正极短路而设置的(不是为了绝缘)。该材料使用了聚乙烯、聚丙烯、聚烯烃等多孔高分子材料。

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图1


图1 显示了不同材料的隔膜在温度上升时的内阻变化情况。高温时,隔膜发生溶解, 孔隙发生堵塞,抑制锂离子的迁移,使电阻相应增加,从而抑制电流,进而抑制发热。这叫做隔膜自动关断保护,起到防热致损坏的作用。但是,持续从外部流入大电流,或者由于其他某种原因持续加热时,隔膜溶解部分扩大,使正负极短路范围变大,会导致热失控。为了提高负极的安全性,通过增加陶瓷涂层减少高温情况下隔膜的溶解。这项技术也已经开发出来了。


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END

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