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剖析现阶段高电压电池正极材料的科学研究和技术性现况

剖析现阶段高电压电池正极材料的科学研究和技术性现况

来源:
2021/09/10 14:08
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【摘要】:

  高压重要材料与技术的现状

  高压锂电池的性能取决于活性材料和电解质的结构和性能。下面对高压正极材料的研究现状和应用现状进行分析。

  1. 高压锂钴氧化物材料的研究现状

  目前,锂钴氧化物作为一种高压负极材料得到了广泛的研究和应用。该结构为非nafeo2型,更适合锂离子插入和弹出。锂钴氧化物的理论能量密度为274mAh/g,生产工艺简单,电化学性能稳定,市场份额高。在实际应用中,只有一部分锂离子可以被可逆嵌入和喷射,实际能量密度约为167mAh/g(工作电压为4.35v)。提高工作电压可显著提高能量密度。例如,将工作电压从4.2V增加到4.35V,会使能量密度增加16%左右。

  然而,在高压下,锂离子从材料中嵌入,氧化钴锂的结构多次由三元晶系和单斜晶系发生变化。此时,锂钴氧化物材料不再具有嵌入锂离子的能力。同时,疏松脱落的阳极材料会聚集流体颗粒,导致电池内阻,电化学性能差。

  目前,锂钴氧化物正极材料的改性从掺杂和包覆两方面提高材料的晶体结构稳定性和界面稳定性具有重要意义。

  目前高压钴酸锂材料的应用,如高端手机电池厂家对电池性能要求越来越高,重要的是对更高的能量密度的需求,如碳要求4.35V电池负极能量密度约为660Wh /L,4.4V电池已达到约740Wh /L,这使得阳极材料具有较高的压实密度,较高的空间,并且材料的结构在高压和高压下具有良好的稳定性。然而,氧化钴锂电极材料钴资源缺乏、价格高、钴离子毒性大等缺点制约了其在我国的广泛应用。

  2. 三元材料的研究现状

  为了降低钴含量,提高电池安全性,研究人员开始关注层状三元高压材料(LinixCoyn1-X-YO2或LinixCoyal1-X-YO2)。在这些三元材料中,镍(Ni)作为供应能力,钴(Co)可以减少锂(Li)与镍的混合,锰(Mn)或铝(Al)可以提高层流材料的结构稳定性,从而提高电池的安全性。这类电池对于一般的数字电池很重要,如can、商用备用电池等,作为氧化钴锂的替代品,为了提高电池的价格竞争力,镍钴锰比5:2:3是常见的。

  在动力汽车方面,许多制造商正在试验提高能量密度。最重要的方法是提高单个锂电池的工作电压,增加镍含量,但行业仍处于发展阶段,没有量产产品。这一点很重要,因为目前的动力锂电池首先要满足高安全性、一致性、低成本和长寿命的电池,容量不是首要问题。

  三元材料的重要问题是,随着镍含量的增加,材料的碱度越来越强,对电池制造技术和环境的要求越来越高。同时,在循环过程中,材料的热稳定性降低,释放氧气,导致材料的结构稳定性恶化。在充电状态下,镍氧化性强,对电解液的匹配也提出了更高的要求。因此,三元电极材料的推广应用存在很大的局限性。

 

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