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通過詳細分析,如何選擇鋰離子電池的正極材料?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年05月13日  

  鋰離子電池在使用的過程中,能夠進行二次充電,屬于一種二次可充電電池,主要工作原理為鋰離子在正負極之間的反復移動,無論電池的形狀如何,其主要組成部分都為電解液、正極片、負極片以及隔膜。目前,國際上鋰離子電池的生產地主要集中在中國、日本和韓國,主要的鋰離子應用市場為手機和電腦。隨著鋰離子電池的不斷發展,應用領域也在逐漸的擴大,其在正極材料的使用方面已經由單一化向多元化的方向轉變,其中包括:橄欖石型磷酸亞鐵鋰、層狀鈷酸鋰、尖晶石型錳酸鋰等等,實現多種材料的并存。


  從技術發展方面能夠看出,在日后的發展中還會產生更多新型的正極材料。對于動力電池的正極材料來說,其在成本費用、安全性能、循環能力以及能量密度等多個方面都具有較為嚴格的要求。在應用材料領域中,由于鈷酸鋰的費用較高、安全性較低,因此在具體的使用中通常適用于普通消費類電池,難以符合動力電池的相關要求。而上述列舉的其他材料均已在目前的動力電池中得到了充分的利用。


  鋰離子電池正極材料


  1、鈷酸鋰作為正極材料,被應用的時間最早,并且直至目前仍然屬于消費電子產品中居于主流的正極材料。鈷酸鋰與其他正極材料相比較能夠看出,其工作過程中電壓較高,充電或者放電時電壓運行較為平穩,能夠符合大電流的要求,具有較強的循環性能,電導效率較高,材料以及電池等工藝較為穩定。但是其也存在許多缺點,例如資源較為短缺,價格較貴,鈷含有毒性,使用時具有一定的危險,并且會對環境產生不良影響。尤其是其安全性不能得到切實的保障,這將成為制約其廣泛發展的重要因素。在對其進行的研究中,以Al3+、Mg2+、Ni2+等金屬陽離子摻雜最為廣泛,隨著科研的不斷推進,目前采用Al3+與Mg2+等金屬陽離子摻雜形式更是已開始投入使用。在鈷酸鋰的制備方面,主要包括兩種方法,即固相合成法以及液相合成法。在工業中普遍使用的是高溫固相合成法,它主要利用鋰鹽,例如Li2CO3或LiOH等,與鈷鹽如CoCO3等,按照1:1的比例進行融合,并且在600℃至900℃高溫的狀態下進行煅燒而形成。目前市場中對鈷酸鋰材料的應用主要為二次電池市場當中,并且也成為小型高密度鋰離子電池材料的最佳選擇。

  2、三元正極材料具有較為顯著的三元協同效應,其與鈷酸鋰相比較能夠看出,在熱穩定性方面存在較大的優勢,并且生產成本較為低廉,能夠成為鈷酸鋰最佳代替材料。但是其密度較低、循環性能方面也有待提高。對此,可以采用改進合成工藝以及離子摻雜等進行調整。三元材料主要應用于鋼殼、鋁殼等圓柱形鋰離子電池當中,但在軟包電池中由于受到膨脹因素影響,使其的應用受到較大限制。在未來的應用中,其發展方向主要有兩個方面:第一,向著高錳方向,主要在藍牙、手機等小型便攜式設備方面發展。第二,向著高鎳方向,主要在電動自行車、電動汽車等對能量密度需求較高的領域中進行應用。

  3、磷酸亞鐵鋰在充電和放電方面具有良好的循環性能以及熱穩定性,在使用過程中具有較強的安全保障,并且該材料綠色環保,不會對環境造成嚴重的損害,同時價格也較為低廉,被我國電池工業認為是進行大型電池模塊生產的最佳材料。目前的主要應用領域有:電動汽車、便攜式移動充電電源等,在未來發展中將會朝著儲能電源、便攜式電源方向深入發展。


  4、錳酸鋰在應用中具有較強的安全性以及抗過充性,由于我國錳資源較為豐富,因此價格較為低廉,對環境的污染較小,無毒無害,工業制備操作較為簡便。但是其在充電或者放電過程中,由于尖晶石結構不穩定,容易產生Jahn-Teller效應,再加上高溫狀態下錳的溶解,容易縮減電池容量,因此其應用也受到了較大的限制。目前,錳酸鋰的應用范圍主要是小型電池,例如手機、數碼產品等,在動力電池方面與磷酸鐵鋰能夠互為替代,因此產生了強烈的競爭,其發展方向將會向著高能量、高密度、低成本的趨勢發展。


  鋰離子電池產品呈現出蓬勃發展的態勢,隨著科學技術的發展,智能手機、電腦等產品得到廣泛的應用,這將使得對鋰離子電池的需求量變大,為其帶來較大的發展機遇。同時,車載鋰離子以及儲能電源等也逐漸得到發展,為鋰離子電池提供了新的增長點。由此可見,在未來的發展中,必會加強對此方面的研究力度,使鋰離子電池的作用發揮到更大,這也將帶動其電池材料不斷得到更新換代。


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