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鋰離子動(dòng)力電池以鋰離子嵌入化合物為正極材料、以碳素材料為負(fù)極材料,具有高能量密度、長(zhǎng)壽命、輕量環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。近年來,鋰離子動(dòng)力電池關(guān)鍵核心技術(shù)不斷突破,電池系統(tǒng)能量密度達(dá)到255Wh/kg,循環(huán)壽命超過5000次,熱擴(kuò)散時(shí)間提高至大于24小時(shí),安全性能大大提升。作為一種新型能源存儲(chǔ)技術(shù),鋰離子動(dòng)力電池已在電動(dòng)汽車、電動(dòng)輕型車、電動(dòng)工具、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
鋰離子動(dòng)力電池電芯材料體系
1、正極材料
正極材料是鋰離子電池最為關(guān)鍵的原材料,鋰電池正極材料上游為鋰、鈷、鎳等礦物原材料,結(jié)合導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑等制成前驅(qū)體。前驅(qū)體經(jīng)過一定工藝合成后制得正極材料,應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。
正極材料是鋰電池電化學(xué)性能的決定性因素,直接決定電池的能量密度及安全性,進(jìn)而影響電池的綜合性能。正極材料在鋰電池材料中占比最大,所占比例45%,主要包括活性材料、導(dǎo)電劑、溶劑、粘合劑、集流體、添加劑等,一般可分為鈷酸鋰(LCO)、錳酸鋰(LMO)、磷酸鐵鋰(LFP)、三元材料鎳鈷錳酸鋰(NCM)和鎳鈷鋁酸鋰(NCA)等。其中,磷酸鐵鋰主要應(yīng)用于新能源車及儲(chǔ)能電池市場(chǎng),三元材料則在新能源乘用車、電動(dòng)自行車和電動(dòng)工具電池市場(chǎng)具有廣泛應(yīng)用。
2、負(fù)極材料
負(fù)極材料的性能直接影響動(dòng)力電池,其性能的優(yōu)良相應(yīng)的體現(xiàn)在動(dòng)力電池的關(guān)鍵性能中,如循環(huán)壽命性能、膨脹變形問題和倍率性能。按鋰離子電池成本比例,負(fù)極材料占比鋰電池總成本的25%~28%。相對(duì)于鋰電池正極材料,負(fù)極材料的研究方興未艾。
較為理想的負(fù)極材料最少要具備以下7點(diǎn)條件:
a.化學(xué)電位較低,與正極材料形成較大的電勢(shì)差,從而得到高功率電池;
b.應(yīng)具備較高的循環(huán)比容量;
c.在負(fù)極材料中Li+應(yīng)該容易嵌入和脫出,具有較高的庫(kù)倫效率,以至于在Li+脫嵌過程中可以有較穩(wěn)定的充放電電壓;
d.有良好的電子電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率;
e.有良好的穩(wěn)定性,對(duì)電解質(zhì)有一定的兼容性;
f.對(duì)于材料的來源應(yīng)該資源豐富,價(jià)格低廉,制造工藝簡(jiǎn)單;
g.安全、綠色無污染。
符合以上各個(gè)條件的負(fù)極材料目前基本不存在,因此研究能量密度高,安全性能好,價(jià)格便宜,材料易得的新型負(fù)極材料成為當(dāng)務(wù)之急,這也是現(xiàn)階段鋰電池研究領(lǐng)域的熱門課題。
現(xiàn)階段,鋰離子電池負(fù)極材料主要有碳材料、過渡金屬的氧化物、合金材料、硅材料及其他含硅材料,含鋰的過渡金屬的氮化物以及鈦酸鋰材料。按照材料的組分,通?梢詫囯姵刎(fù)極材料分為2大類:碳材料和非碳質(zhì)材料。碳材料負(fù)極進(jìn)一步分類為天然石墨負(fù)極、人造石墨負(fù)極、中間相碳微球(MCMB)、軟炭(如焦炭)負(fù)極、硬炭負(fù)極、碳納米管、石墨烯、碳纖維等;其他非碳負(fù)極材料主要分為硅基及其復(fù)合材料、氮化物負(fù)極、錫基材料、鈦酸鋰、合金材料等。
3、電解液
電解液是電池中離子傳輸?shù)妮d體,在鋰電池正、負(fù)極之間起到傳導(dǎo)離子的作用,是鋰離子電池獲得高電壓、高比能等優(yōu)點(diǎn)的保證。電解液一般由高純度的有機(jī)溶劑、電解質(zhì)鋰鹽、必要的添加劑等原料,在一定條件下、按一定比例配制而成的。鋰電池主要使用的電解質(zhì)有高氯酸鋰、六氟磷酸鋰等。但用高氯酸鋰制成的電池低溫效果不好,有爆炸的危險(xiǎn),日本和美國(guó)已禁止使用。而用含氟鋰鹽制成的電池性能好,無爆炸危險(xiǎn),適用性強(qiáng),特別是用六氟磷酸鋰制成的電池,除上述優(yōu)點(diǎn)外,將來廢棄電池的處理工作相對(duì)簡(jiǎn)單,對(duì)生態(tài)環(huán)境友好,因此該類電解質(zhì)的市場(chǎng)前景十分廣泛。
電解液溶劑體系的基本要求是:
a.具備一定極性(高介電常數(shù)),以溶解鋰鹽;
b.電化學(xué)窗口寬(電解液的電化學(xué)窗口主要體現(xiàn)為溶劑的電化學(xué)窗口),耐正極氧化和負(fù)極還原;
c.粘度低,便于浸潤(rùn)電極及改善低溫性能;
d.耐熱。
4、隔膜
隔膜是鋰離子動(dòng)力電池中非常重要的材料,位于正極和負(fù)極之間,起到隔離和防止直接接觸的作用以防止短路和電池失效,對(duì)于電池的性能和安全性至關(guān)重要。常見的隔膜材料包括聚烯烴(例如聚丙烯)和聚酰亞胺(PI)。聚烯烴隔膜通常由聚丙烯薄膜制成,具有較高的熱穩(wěn)定性和良好的電解液濕潤(rùn)性能。而聚酰亞胺隔膜由聚酰亞胺薄膜制成,具有更高的熱穩(wěn)定性和較低的電解液濕潤(rùn)性能,但更適合用于高溫和高功率應(yīng)用。
隔膜在鋰離子動(dòng)力電池中具有以下功能:
a.隔離正極和負(fù)極:隔膜可以阻止正極和負(fù)極之間的直接接觸,從而防止電池短路;
b.離子傳導(dǎo):隔膜必須具有足夠的孔隙和導(dǎo)電性,以便鋰離子能夠通過隔膜在正極和負(fù)極之間傳輸,實(shí)現(xiàn)電池的充放電;
c.電解液的保持:隔膜需要具有一定的孔隙結(jié)構(gòu),能夠吸附和保持電解液,以確保正極和負(fù)極之間的離子傳輸順暢。
參考來源:
Engineering發(fā)布2023全球十大工程成就.Engineering工程、鋰離子動(dòng)力電池技術(shù).
新能源技術(shù)與企管\程冰蕾
(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/蘇簡(jiǎn))
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