三元材料因其价格低廉,性能稳定,被称为是锂离子电池的首选材料,而以三元材料为正极的锂离子电池更是具有多种优点。锂离子电池具有以下特点:
1、正极为三元材料,负极为人造石墨与其他先进负极材料的混合体。
2、叠片式软包装工艺,该结构电流集流均匀、散热性好、提升了电池倍率性能。
3、采用专利技术处理的隔膜,提高了电池本体安全性,单体电池及模块经过跌落、挤压、针刺、热箱、过充过放等安全性评价试验,满足我国有关电池的标准法规要求。
4、特殊的隔膜材料提高了隔膜的保液能力及孔隙率,减小电池内阻。以1倍率电流充放电,放电深度为DOD80%的情况下进行测试,次循环后,容量仍能保持在85%以上。
5、25Ah动力锂离子电池的重量比能量为Wh/kg,比磷酸铁锂离子电池高30%以上,可以减轻整车重量,提高续驶里程。
6、在大电流充放电时,极化小,温升低。电池可持续3C充电,5C放电(瞬间10C)的高输入输出能力。
7、合理的电解液配比与配方,电池的放电温度范围为-20~45℃,充电温度范围为0~45℃。
8、电池一致性好。采用多项专利制造工艺,粉体的前处理技术,保证了粉体混合和浆料混合的均匀性;特殊的化成工艺,保证了电池成膜的稳定性,从而确保了电池批次间的稳定性,以及电池的荷电储存性能,提高了电池一致性。电池容量标准差小于0.08Ah,配组率高,可降低系统成本。
三元锂电池概述
锂离子电池的正极材料有很多种,按正极材料的不同,可分为钴酸锂,锰酸锂,三元材料,磷酸铁锂和钛酸锂等。三元锂电池是指使用镍、钴、锰三种过渡金属氧化物作为正极材料的锂电池,由于它综合了钴酸锂,镍酸锂和锰酸锂三类材料的优点,性能优于以上任一单一组分正极材料。实验分析标明,三种不同化合价的元素形成了超晶格结构,三种组分之间存在明显的协同效应,使得材料更加稳定,且放电平台高达3.6V,因此被认为是最有应用前景的正极材料之一。三元电池具有能量密度高,安全稳定性好,支持高倍率放电等优异的电化学特性,以及价格适中的成本优势,在消费类数码电子产品,工业设备,医疗仪器等中小型锂电池领域获得了广泛应用,并在智能机器人,AGV物流车,无人机和新能源汽车等动力锂电池领域显示出了强劲的发展潜力。
目前对三元材料的研究主要集中在前驱体的制备,材料的合成以及电化学性能与结构的关系上。该材料中大部分过渡金属元素Ni、Co、Mn分别以+2、+3、+4价态存在,在充放电过程中,发生电化学反应的只有Ni2+/Ni4+和Co3+/Co4+,Mn基本不参与电化学反应,只是起到稳定材料结构的作用。关于制备方法,工业上常用的合成方法有:高温固相法,共沉淀法,溶胶-凝胶法,水热合成法,燃烧法等。三元材料是一种综合性能优越的锂电池正极材料,在一定范围内改变三种材料的摩尔配比,并加入相应的添加剂(粘结剂,导电剂,集流体等),可以得到在某一方面有突出的表现特性,比如动力型三元锂电池,容量型三元锂电池,超低温三元锂电池等等。
三元聚合物锂电池
三元聚合物锂电池是指正极材料使用镍钴锰酸锂(Li(NiCoMn)O2)三元正极材料,且使用凝胶聚合物电解质的锂电池。电解液作为离子运动的传输介质,一般由溶剂和锂盐组成,锂二次电池的电解液主要有液体电解液,离子液体电解液,固态聚合物电解质和凝胶聚合物电解质。凝胶聚合物电解质由聚合物,有机溶剂和锂盐组成,通过将有机电解液和固态聚合物基质混合制得。因以凝胶态形式存在,兼具了固体电解质和液体电解液的优点,由于电解液被限制在聚合物链中,在较宽的温度范围内也具有较高的离子电导率(可达10-3S/cm)。其最大的优点是隔膜机械强度高,薄膜提供了很大的表面积。薄膜越薄能量密度越高,因为更多的活性物质可以嵌入电池中。另外,其电化学稳定性也非常好,耐高温,市面上的高温电池大部分均采用聚合物电解质。
三元动力锂电池
所谓动力电池是指电池支持高倍率大电流放电,功率密度高,单位时间内释放的能量多。倍率放电能力指的是充放电倍率增加的情况下,电池容量的保持能力。充放电的倍率用xC表示,1C意味着电池的标称容量能在1h用完,而以2C的倍率放电则可用30min。
电池的动力/倍率性能与电池的设计密切相关,受多种因素的影响,比如电解液,隔膜,活性材料的类型,活性颗粒的大小等等。这些因素中间,电极的厚度是影响大电流放电能力的主要因素。倍率放电能力可以通过将电极变薄而大大改进,因为薄的电极里面具有较小的电子阻抗和离子阻抗,然而电极变薄会导致电极内更少的活性物质量,因此电池容量会减少。所以三元动力锂电池主要的技术挑战在于不减少容量的情况下增加大电流放电能力。
对三元动力锂电池来说,目前研究最多,技术最成熟的当属日本松下公司,实验阶段已经可以实现30C放电,其中已经成功实现商业化大规模生产的动力型三元锂电池放电倍率可达12C,容量也高达mAh。国内也有厂家做到较高的放电倍率,但电池的稳定性还有待提高,尤其在使用一段时间后,其循环寿命和倍率放电能力会大大减小。有研究报道,通过颗粒包覆和改性等方法,可以提高锂电池的倍率性能。
三元低温锂电池
电池的温度特性是电池可靠性的指示器,电池的性能也可通过改变环境温度来进行评估。锂电池的低温特性主要从低温放电特性和循环寿命来考察,低温电池最主要的是保持低温条件下物质的流动性,使锂离子能够自由穿梭于正负极之间,实现电池的充放电。比如使用熔点低的电解液,减小活性材料的粒径,将增强电池的低温性能,这是因为增加了锂离子的通道,在一定程度上弥补了低温下锂离子移动慢的缺陷。
目前国内外的三元锂电池厂家基本都能做到-20度的放电温度,且放电容量大于50%,循环寿命在次左右,完全可以满足普通的用电器具和用电场景。但是在航空航天,特种设备等特殊产品,或者北方,高山等严寒环境下,锂电池必须能达到更低的放电工作温度以满足苛刻的使用条件。东莞市有限公司特种电芯研究院,聚集了一大批电化学专家和行业内高工教授,凭借强大的研发团队,成功研制出低温-40度放电,且放电容量高达67%的,主要针对军事和特种应用的超低温锂电池,并成功实现商业化大批量生产。
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由上可见,作为全球电动车行业的两大主流电池技术路线,磷酸铁锂电池和三元锂电池之间的“战争”从未停止过。且从年到年,磷酸铁锂电池和三元电池呈现出明显的此消彼长的趋势。出现这一局面的原因,除了二者各自的优劣势外,还有一个重要的原因就是新能源汽车补贴政策。