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鋰離子電池這么多類別,優缺點各是什么?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年04月19日  

①。鎳鈷錳三元材料,似乎有點鎳酸鋰混合鈷酸鋰混合錳酸鋰的意思,雖然這么理解是不正確的,但是從三元材料的性能來看,這么理解又未嘗沒有道理:


1.與鎳酸鋰相比,三元材料的能量密度有所欠缺,但是穩定性有很大的提高。


2.與鈷酸鋰相比,三元材料的平臺略低,材料成熟度有所差距,但是安全性和循環性,尤其是高充電電壓的可行性更高。


3.與錳酸鋰相比,三元才老的安全性要低不少,但是高溫性能和能量密度有很大的優勢。


②。也許就是因為以上的相似與不似,使三元的實際應用處于一個很尷尬的境地:


目前國內的三元一般是部分的替代鈷酸鋰使用領域,與錳酸鋰或者鈷酸鋰混合用于中低端的電子消費品,與錳酸鋰混合應用于中低端動力市場。


以上的三種使用方式涵蓋了國內絕大部分三元的市場,其實大體看一下,我們就不難發現,三元在國內市場的使用其實只有一個目的:降低成本。


1.在電子產品中,三元重要是用于替代價格相對較高的鈷酸鋰,無法凸顯三元材料長循環壽命等優勢。


2.在動力市場中,三元重要是由于取代單位體積能量密度成本相對較高的錳酸鋰,其重要目的也是減少其他電池材料的使用,進一步降低每瓦時的成本。


一種為了降低成本而使用的材料注定其發展路線會以價格為導向,會存在性能不升反降的可能性,而今,這一可能性因為三元過早的卷入了國內的價格戰而過早地成為現實。


在這種競爭模式下,三元的利潤率正越來越接近鈷酸鋰,性能則和早已成熟的鈷酸鋰相差越來越大。


這種競爭模式的另一個負面影響就是,高鎳的三元越來越被看好,盡管很多廠家根本不考慮高鎳三元在工藝上的敏感性,而綜合性能最高的111三元和111三元在高電壓下的優勢在沒怎么被關注之前就趨于淡化。


③。其實,三元材料是一種綜合性能優越的材料,只有以性能為導向的市場才能真正發揮其作為新型正極材料的優勢。


在電子產品中,三元材料除了成本上的天然優勢之外,可以通過提高鎳含量,提高充電電壓上限和提高壓實密度來使其能量密度不斷提升。


1.提高鎳含量的三元材料和鎳鈷鋁具有很相似的特性,完全可以按照鎳鈷鋁的發展模式去做。不過國內受到工藝控制水平的影響,鎳鈷鋁一直沒有發展起來,在這個大背景下,高鎳的三元也很難有好的發展。


2.提高充電電壓(一般而言,僅限于111)是三元很應該去發展的一條道路,目前國內很多有遠見的公司也都在開發。說實話,與鈷酸鋰相比,三元材料在高電壓下具有很高的優勢,從材料本身來說,全電池中,即使在4.5V充電電壓下,材料不要改性仍然可以有很好的穩定性。而且在這個條件下,111的克容量可以超過190,其前景十分值得關注。但是由于三元電池體系的成熟度相對鈷酸鋰有很大的差距,所以在4.3V或者4.35V下的高電壓開發中,三元的優勢較鈷酸鋰并不明顯,尤其是相關于做過摻雜改性的鈷酸鋰而言。于是,一些廠家淺嘗輒止,但是真正了解三元這一優勢的廠家則從未止步。


3.提高壓實密度,常規的111三元克容量是鈷酸鋰的105%左右,532的是鈷酸鋰的115%左右,但是壓實密度則為鈷酸鋰的80%左右,而一般高性能鈷酸鋰的領域看中的正是穩定性為前提的高能量密度,盡管三元材料的穩定性優于鈷酸鋰,但是其能量密度卻有不小的差距,從這里我們可以看出提高三元壓實密度的重要意義。


解決了電極加工性能的高壓實三元材料,雖然僅僅是形貌的變化,但是意味著其應用領域的一個很大的延伸。盡管三元材料的身上有很多其他正極的影子,但是其綜合性能十分優異,無論與其它正極一同使用取長補短,或者單獨使用盡顯其能都應該以充分發揮其性能為前提。


較明顯的缺點:


1.三元材料的首次充放電效率低


2.三元材料鋰層中陽離子的混排,對材料的首次充放電效率及循環穩定性都有影響.


3.三元材料的放電電壓平臺較LiCoO2低,有待提高.


A、按正極材料分類:鈷酸鋰、三元材料、錳酸鋰、磷酸鐵鋰


鈷酸鋰材料用為最早應用于鋰離子電池的材料,與錳酸鋰和其他正極材料相比,其優點是克容量高,僅次于二/三元材料,一般情況達到140mAh/g,體積比能量最高,同時該材料的加工性能良好,應用工藝很成熟,廣泛應用于筆記本電腦、手機、MP3/4等小型電子設備中,但是鈷酸鋰材料的致命缺陷是材料的安全性能差,尤其是在過充的時候,當正極中的鋰脫嵌到一定程度時,鈷酸鋰結構會發生破壞,出現大量的氧,引起電芯的燃燒爆炸。


二/三元材料,其結構和鈷酸鋰類似,也是層狀結構,材料的克容量最高,可以達到150mAh/g,這也是采用三元材料的電芯在體積和重量上有優勢的重要原因,但三元材料的安全性能與鈷酸鋰接近,尤其是做成容量超過5Ah以上的電芯,在進行濫用測試時,經常發生燃燒或爆炸的安全性問題;另外,二/三元材料的放電平臺低,僅有3.6V左右,與錳酸鋰材料相比,在相同容量的情況下,能量要低8-9%,并且在實際使用中,因控制器的關閉電壓較高,對三元材料的容量影響也較錳酸鋰材料電芯更大。在成本方面,由于使用了金屬鈷、鎳作為重要成分,價格較高,目前為180-200元/kg,綜合材料成本約為錳酸鋰的1.5倍。


錳酸鋰材料屬尖晶石結構,熱穩定性好,制作的電芯安全性能優越,能通過包括UL1642、BASTO、UN38.3等各種安全性能測試。錳酸鋰電芯的最大缺點是比容量要低于三元材料。錳酸鋰制備的電芯,電性能比較穩定,在正常情況下,電芯的循環性能超過600周。


磷酸鐵鋰材料,是一種新興的正極材料,與其他材料相比,電芯的循環性能較好,一般情況下,0.5-1.0C電流放電,1000周容量衰減約10-20%,電芯的安全性能也比較好,是未來一種比較理想的正極材料,但是,由于磷酸鐵鋰,從材料本身制備到應用于此材料制作電芯的過程中,工藝還不成熟,三價鐵鋰子的控制難度大、材料導電能力差,有待進一步提高,同時,磷酸鐵鋰的專利問題不可回避,這會是批量生產、銷售和使用難以逾越的一個障礙。


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