正极材料是决定锂离子电池性能的关键材料之一,也是目前商业化锂离子电池中主要的锂离子来源,其性能和价格对锂离子电池的影响较大。
目前研制成功并得到应用的正极材料主要有钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料镍钴锰酸锂(NCM)和镍钴铝酸锂(NCA)等。
钴酸锂是代商业化正极材料,在几十年的发展中逐渐改性和提高,可以认为是成熟的锂离子电池正极材料。
钴酸锂具有放电平台高、比容量较高、循环性能好、合成工艺简单等优点。但该材料中含有毒性较大的钴元素,且价格较高,制作大型动力电池时安全性难以。
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镍、钴、锰三种元素的不同配置可为材料带来不同的性能:
镍含量增加将增加材料的容量,但会使循环性能变差;
钴的存在可使材料结构更加稳定,但含量过高会使容量降低;
锰的存在可以降低成本并改善安全性能,但含量过高则会破坏材料的层状结构。
当电压4.6V时材料相变就难以控制,主要体现为:1.相变动力学变差,导致内阻在高电位下增加;2.结构巨变,O3结构消失;3.晶胞参数剧烈膨胀收缩;4.滑移相变不完全可逆造成容量电压衰减。晶胞参数巨变的宏观表现使材料颗粒体积膨胀及收缩,同时颗粒的变化又导致电极材料发生改变引起电芯衰减。
为解决高电压钴酸锂应用需对高压区间相变过程进行设计与调控增强循环可逆性。对于商业应用的电芯来说,除了考虑电芯的膨胀率意外还应考虑到高膨胀系数对电极涂覆材料、材料抗拉伸强度、电芯封装材料都提出了更高的要求。
固液界面副反应是锂电池发展不可避免的问题,目前使用的非水有机电解液化学窗口通常低于4.4V当充电截止电压4.4V时,电解液就会在电池表面发生氧化分解,这一过程导致电池容量急剧“跳水”。同时氧化分解的产物也覆盖在电极材料表面增加电池内阻。游离过渡金属元素催化表面副反应产物分界使电极材料维持高位活性状态带来隐患。
Co元素与氧元素具有强相互作用,随充电电压升高,在电荷补偿过程中,Co元素电子不足,促使阴离子O元素参与其中,导致材料骨架结构和稳定性发生变化;同时因为O的参与电解液发生氧化反应,这一过程加剧了材料表面CEI膜的生成,增加电解液的分解。
虽然三元材料具有良好的电化学性能,但是实际运用而言,还有不少问题需要解决,例如:锂离子的混排,提率,提高锂离子扩散系数和电子电导率。
LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2主要改性方法有:离子掺杂和表面包覆。表面包覆和适当的掺杂比例和均匀的掺杂能使材料的结构更稳定、改善材料的循环性能和热稳定性能。
锂离子电池的输出功率与材料中的电子电导及锂离子的离子电导都有直接关系,所以以不同手段提高电子电导及离子电导是提高材料的关键
能源这个东西就像一个炸弹,看你怎么控制它而以。控制的好它就可以杀敌报国,控制的不好可能就车毁人亡。
从石油、天然气、核能等历史发展过程就可以看出,这些能源在世界上曾经都出现过不可控的局面。其实任何一种能源安不安全,其实就看我们控制能力,三元电池也一样,现在说三元电池不安全,恰恰说明我们还没有掌握怎么控制好它。
电池安全与否,除了和材料本身有一定关系的话,还与我们使用的环境、电池管理系统、整车控制系统都有直接的关系。