【行業】鋰電池專題-三元材料關鍵技術細節及測算(32頁)

鈷酸鋰仍是小型鋰電池的最佳選擇。目前在 3C 電子電池中,大多數仍使用鈷酸鋰而并非比容量更高的三元材料,原因是鈷酸鋰材料的壓實密度大于三元材料,即單位體積內能容納的鈷酸鋰量更多。在更為重視體積密度的小型電池中,鈷酸鋰占有著一席之地。

鈷酸鋰理論容量高,但實際容量卻只有理論的一半。原因是在充電過程中鋰離子要從鈷酸鋰材料中脫出,但脫出量小于 50%時,材料的形態和晶型可以保持穩定。隨著鋰離子脫出量增大至 50%時,鈷酸鋰材料將發生相變,如果此時繼續充電,鈷將溶解在電解液中并產生氧氣,嚴重影響電池循環穩定性和安全性能,因此一般的鈷酸鋰充電截止電壓為 4.2V。

磷酸鐵鋰的缺點也較為明顯,即能量密度低。原因有兩點,一是磷酸鐵鋰材料的電壓僅有 3.3V 左右,低于其他正極材料,這使得磷酸鐵鋰電池儲存能量較低;二是磷酸鐵鋰導電性較差,需要納米化并進行包覆才能獲得良好的電化學性能,這使得材料變得蓬松,壓實密度較低。兩者綜合作用,使得磷酸鐵鋰電池的能量密度低于鈷酸鋰和三元電池。因此磷酸鐵鋰電池主要應用于電動大巴車及少量乘用車中。

磷酸鐵鋰是否近期將被淘汰?近期新能源汽車安全事故頻發,被認為將很快被三元材料取代的磷酸鐵鋰再次進入人們的視野,人們希望通過對磷酸鐵鋰進行改性提高其容量。目前已有學者通過在磷酸鐵鋰中摻入 Mn 元素使其擁有更高的電壓和更高的能量密度,也有相關研究通過復合技術將磷酸鐵鋰與 NCM 三元材料進行混合,在保持三元素電池較高能量密度的同時可以有效提升其安全性能。

鎳鈷錳三種元素的不同配置將為材料帶來不同的性能:鎳含量增加將增加材料的容量,但會使循環性能變差;鈷的存在可使材料結構更加穩定,但含量過高會使容量降低;錳的存在可以降低成本并改善安全性能,但含量過高則會破壞材料的層狀結構,因此找到三種材料的比例關系以達到綜合性能最優化,是三元材料研發的重點。常見配比有 NCM111、523、622、811 等。NCA(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)則是將其中的錳元素用鋁元素來替代,一定程度上改善材料的結構穩定性,但其鋁含量較少,可近似看成是一種二元材料。

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