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锂电池常见电池正极材料详细介绍

锂电池常见电池正极材料详细介绍

来源:
2021/07/01 14:54
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【摘要】:

  阴极材料是什么

  自锂离子电池发明以来,作为一种理想的新型电池,锂离子电池一直是电池
行业研究的重点,那么锂离子电池的正极材料是什么呢?重要的是LCO(锂钴氧
化物)、LMO(锂锰氧化物)、NCM(三元系),NCA(二进制)和LFP(磷
酸铁锂)。以下是它们的一些特点:

  锂离子电池

  1.锂离子电池正极材料:LCO(硼酸锂)

  (1) 锂钴氧化物的优点:

  1) 优异的电化学性能:每次循环容量平均衰减小于0.05%,首次放电比容
量>135mAh/g,

  3.6V一次放电平台比率>85%。

  2) 优异的加工性能。

  3) 高振动密度有利于提高电池的比容量。

  4) 产品性能稳定,一致性好。

  5) 工作电压高,放电稳定,比能量高,循环性能好等。

  6) 适用于大流量放电和锂离子包埋剥离,是锂离子电池的首选材料。

  (2) 锂钴氧化物的缺点:

  1) LiCo02的实际容量约为140mA穐/g、 仅为理论容量(274mA)的50%

  2) 在反复充放电过程中,由于锂离子的反复插入和喷射,活性物质在反复
收缩和膨胀后结构发生变化,导致LiCo02内阻增大,容量降低。

  2.锂离子电池正极材料:LMO(锰酸锂)

  锂离子电池正极材料LiMn204为尖晶石结构,理论容量为148mAh/g,实际
容量为90~120mAh/g,工作电压范围为3~4V,具有锰资源丰富、价格低廉、
耐腐蚀、耐腐蚀等优点,安全性高,制备方便,缺点是理论能力不高;材料在电
解液中会慢慢溶解,即与电解液的相容性不是很好;在深充放电过程中,这种材
料容易发生晶格单元的变化,导致电池容量的迅速损失,尤其是在较高的温度下

  3.锂离子电池正极材料:NCM(三元系)

  NCM是由镍、金刚石和锰按一定比例组成的正极材料,每个字母对应于有
关元素的化学首字母,一个基本事实是,随着镍含量的增加,三元正极材料的比
容量增大,因此,根据NCM电池中三种材料含量的不同,NCM材料可分为
NCM111、NCM523、NCM622和NCM811,后者的数量代表三者的比例,随
着电池寿命范围需求的增加,随着电池比能量需求的增加,以及稀有金属钻削价
格的上涨,高镍NCM811将成为未来一个重要的发展方向。

  NCM的优点:比容量高,循环寿命长,安全性能好,价格低廉

  滑动的缺点:

  1、物料一次充放电效率低。

  2.锂层中阳离子的混合对材料的首次充放电效率和循环稳定性有影响。

  3.该材料的放电电压平台高于LiCo0。较低,有待提高。

  离子掺杂改性

  锂离子电池的输出功率直接关系到材料的电导和锂离子的离子电导。

  阳离子等效态掺杂:等效态掺杂不会改变材料原有的原子价态,但一般能稳
定材料的结构,拓展离子通道,提高材料的离子导电性。

  阳离子非等效态掺杂:掺杂的离子具有较低的价态,会导致过量元素的价态
增加,即空穴的出现,改变材料的能带结构,大大提高材料的导电性。

  阴离子掺杂技术:阴离子掺杂在F-取代02中较为常见,氟离子相掺杂可以提
高材料的结晶度,从而提高材料的稳定性。

  表面涂层改性

  采用金属氧化物(A13O3、ZnO、ZrO等)对三元材料进行表面改性,实现
材料与电解液的机械分离,减少材料与电解液的副反应,抑制金属离子的溶解,
优化材料的回收性能。

  4.锂离子电池正极材料:NCA(二元)

  由于NCA材料的高技术壁垒,目前的生产能力主要集中在日本和韩国,而中
国的产量相对较小,重要的供应商包括住友、日本化学工业公司
(chemicalindustrycorporation)和Toda先生(Toda),而韩国的Ecopro和
GSEM也销售少量产品。

  NCA电池在中国尚未批量生产,主要困难是:

  (1) 热稳定性差、充电不足的高镍材料会导致电池安全性的下降,因此电
池制造商和终端用户都很关心NCA电池的安全性,在单元设计、电源系统设计、
电源使用等方面都要在系统安全设计上可靠,等等。

  (2) 充放电过程中会产生严重的气体,导致电池膨胀变形,降低电池的周
期和使用寿命,存在安全隐患,NCA电池通常使用高压圆柱形电池外壳,通过减
少气体的存在来控制电池的膨胀和变形。

  (3) NCA要求电池生产全过程湿度控制在10%以下。对于其他材料,在注
液过程中要严格控制湿度,这对国内企业提出了巨大的挑战。

  5.锂离子电池正极材料:LFP(磷酸铁锂)

  LFP具有以下优点:

  (1) 氧离子与P5+通过强共价键形成(PO)43+,即使在完全填充状态下
,O原子也难以逃逸,从而提高了材料的稳定性和安全性。

  (2) LFP在小电流充放电时的实际比容量可达140mAh.G-1以上,且结构
不受损伤,相当于LiCoO2的比容量;

  (3) 良好的安全性能;

  (4) 循环性能好(100%DOD条件下充放电次数超过2000次);

  (5) 抗过充性能好,有利于电池的综合使用;

  (6) 原料丰富,价格低廉;

  (7) 环保,不含对人体有害的重金属元素;

  (8) 热稳定性好;

  磷酸铁锂的缺点:

  (1) 低电导率

  (2) 低离子扩散系数

  (3) 低固体密度

  (4) 合成成本略高

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