三元鋰電池性能結(jié)構(gòu)概述

鋰離子電池的正極材料有很多種，按正極材料的不同，可分為鈷酸鋰，錳酸鋰，三元材料，磷酸鐵鋰和鈦酸鋰等。三元鋰電池是指使用鎳、鈷、錳三種過渡金屬氧化物作為正極材料的鋰電池，由于它綜合了鈷酸鋰，鎳酸鋰和錳酸鋰三類材料的優(yōu)點(diǎn)，性能優(yōu)于以上任一單一組分正極材料。實(shí)驗(yàn)分析標(biāo)明，三種不同化合價(jià)的元素形成了超晶格結(jié)構(gòu)，三種組分之間存在明顯的協(xié)同效應(yīng)，使得材料更加穩(wěn)定，且放電平臺高達(dá)3.6V，因此被認(rèn)為是*有應(yīng)用前景的正極材料之一。三元電池具有能量密度高，安全穩(wěn)定性能好，支持高倍率放電等優(yōu)異的電化學(xué)特性，以及價(jià)格適中的成本優(yōu)勢，在消費(fèi)類數(shù)碼電子產(chǎn)品，工業(yè)設(shè)備，醫(yī)療儀器等中小型鋰電池領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，并在智能機(jī)器人，AGV物流車，無人機(jī)和新能源汽車等動力鋰電池領(lǐng)域顯示出了強(qiáng)勁的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

目前對三元材料的研究主要集中在前驅(qū)體的制備，材料的合成以及電化學(xué)性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系上。該材料中大部分過渡金屬元素Ni、Co、Mn分別以+2、+3、+4價(jià)態(tài)存在，在充放電過程中，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的只有Ni2+/Ni4+和Co3+/Co4+，Mn基本不參與電化學(xué)反應(yīng)，只是起到穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)的作用。關(guān)于制備方法，工業(yè)上常用的合成方法有：高溫固相法，共沉淀法，溶膠-凝膠法，水熱合成法，燃燒法等。三元材料是一種綜合性能優(yōu)越的鋰電池正極材料，在一定范圍內(nèi)改變?nèi)N材料的摩爾配比，并加入相應(yīng)的添加劑（粘結(jié)劑，導(dǎo)電劑，集流體等），可以得到在某一方面有突出的表現(xiàn)特性，比如動力型三元鋰電池，容量型三元鋰電池，超低溫三元鋰電池等等。

三元鋰電池性能

三元鋰電池性能分類如下：

1、三元聚合物鋰電池

三元聚合物鋰電池是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰（Li（NiCoMn）O2）三元正極材料，且使用凝膠聚合物電解質(zhì)的鋰電池。電解液作為離子運(yùn)動的傳輸介質(zhì)，一般由溶劑和鋰鹽組成，鋰二次電池的電解液主要有液體電解液，離子液體電解液，固態(tài)聚合物電解質(zhì)和凝膠聚合物電解質(zhì)。凝膠聚合物電解質(zhì)由聚合物，有機(jī)溶劑和鋰鹽組成，通過將有機(jī)電解液和固態(tài)聚合物基質(zhì)混合制得。因以凝膠態(tài)形式存在，兼具了固體電解質(zhì)和液體電解液的優(yōu)點(diǎn)，由于電解液被限制在聚合物鏈中，在較寬的溫度范圍內(nèi)也具有較高的離子電導(dǎo)率（可達(dá)10S/cm-3S/cm）。其*的優(yōu)點(diǎn)是隔膜機(jī)械強(qiáng)度高，薄膜提供了很大的表面積。薄膜越薄能量密度越高，因?yàn)楦嗟幕钚晕镔|(zhì)可以嵌入電池中。另外，其電化學(xué)穩(wěn)定性也非常好，耐高溫，市面上的高溫電池大部分均采用聚合物電解質(zhì)。

2、三元動力鋰電池

所謂動力電池是指電池支持高倍率大電流放電，功率密度高，單位時(shí)間內(nèi)釋放的能量多。倍率放電能力指的是充放電倍率增加的情況下，電池容量的保持能力。充放電的倍率用xC表示，1C意味著電池的標(biāo)稱容量能在1h用完，而以2C的倍率放電則可用30min。

電池的動力/倍率性能與電池的設(shè)計(jì)密切相關(guān)，受多種因素的影響，比如電解液，隔膜，活性材料的類型，活性顆粒的大小等等。這些因素中間，電極的厚度是影響大電流放電能力的主要因素。倍率放電能力可以通過將電極變薄而大大改進(jìn)，因?yàn)楸〉碾姌O里面具有較小的電子阻抗和離子阻抗，然而電極變薄會導(dǎo)致電極內(nèi)更少的活性物質(zhì)量，因此電池容量會減少。所以三元動力鋰電池主要的技術(shù)挑戰(zhàn)在于不減少容量的情況下增加大電流放電能力。

對三元動力鋰電池來說，目前研究*多，技術(shù)*成熟的當(dāng)屬日本松下公司，實(shí)驗(yàn)階段已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)30C放電，其中已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的動力型18650三元鋰電池放電倍率可達(dá)12C，容量也高達(dá)3300mAh。國內(nèi)也有廠家做到較高的放電倍率，但電池的穩(wěn)定性還有待提高，尤其在使用一段時(shí)間后，其循環(huán)壽命和倍率放電能力會大大減小。有研究報(bào)道，通過顆粒包覆和改性等方法，可以提高鋰電池的倍率性能。

4、三元低溫鋰電池

電池的溫度特性是電池可靠性的指示器，電池的性能也可通過改變環(huán)境溫度來進(jìn)行評估。鋰電池的低溫特性主要從低溫放電特性和循環(huán)壽命來考察，低溫電池*主要的是保持低溫條件下物質(zhì)的流動性，使鋰離子能夠自由穿梭于正負(fù)極之間，實(shí)現(xiàn)電池的充放電。比如使用熔點(diǎn)低的電解液，減小活性材料的粒徑，將增強(qiáng)電池的低溫性能，這是因?yàn)樵黾恿虽囯x子的通道，在一定程度上彌補(bǔ)了低溫下鋰離子移動慢的缺陷。

目前國內(nèi)外的三元鋰電池廠家基本都能做到-20度的放電溫度，且放電容量大于50%，循環(huán)壽命在400次左右，完全可以滿足普通的用電器具和用電場景。但是在特種航天，特種設(shè)備等特殊產(chǎn)品，或者北方，高山等嚴(yán)寒環(huán)境下，鋰電池必須能達(dá)到更低的放電工作溫度以滿足苛刻的使用條件。