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鋰離子電池超級電容器的特性

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年06月11日  

(1)極高的充放電倍率

超級電容具備較高的功率密度,可在短時間內放出幾百到幾千安培的電流,充電速度快,可在幾十秒到幾分鐘內完成充電過程。超級電容公交車和有軌電車就是利用此特性在短時間內完成充電,驅動車輛前進。

(2)循環壽命長

超級電容的充放電過程損耗極小,因此在理論上其循環壽命為無窮,實際可達100000次以上,比電池高10~100倍。

(3)低溫性能較好

超級電容充放電過程中發生的電荷轉移大部分都在電極活性物質表面進行,所以容量隨溫度衰減非常小,而通常鋰離子電池在低溫下容量衰減幅度甚至高達70%。

(4)能量密度太低

超級電容應用的瓶頸之一就是能量密度太低,僅為鋰離子電池的1/20左右,約10Wh/kg。因此不能作為電動汽車主電源,大多作為輔助電源,主要用于快速啟動裝置和制動能量回收裝置。2、鋰離子電池特性

(1)電壓平臺

鋰離子電池由于采用的正負極材料不同,其單體電池的工作電壓范圍為3.7~4V,其中應用規模較大的磷酸鐵鋰單體電池工作電壓為3.2V,是鎳氫電池的3倍、鉛酸電池的2倍。

(2)比能量大

當前乘用車鋰離子動力電池的能量密度接近200Wh/kg,預計2020年達到300Wh/kg。

(3)電池壽命短

由于電化學材料特性的制約,鋰離子電池的循環次數沒有取得突破,以磷酸鐵鋰為例,單體電池循環次數可以達到2000次以上,成組后僅為1000次以上。無法滿足公交運行8年期限的要求。

(4)對環境影響較大

鋰離子電池采用輕金屬鋰,盡管不含汞、鉛等有害重金屬,被認為是綠色電池,對環境污染較小。但實際上由于其正負極材料、電解液包含鎳、錳等金屬物,美國已經將鋰離子電池歸類為一種包含易燃、浸出毒性、腐蝕性、反應性等有毒有害性的電池,是目前各類電池中包含毒性物質最多的電池,并且因為其回收再利用的工藝較為復雜導致成本較高,因此目前的回收再利用率不高,廢棄的電池對環境影響較大。

(5)成本依然較高

鋰離子電池初期購置成本高,以目前公交車用動力電池主流產品磷酸鐵鋰電池為例,價格大約在2500元/kWh,隨著電動汽車的普及,有望在2020年降低到1000元/kWh以下。由于單體電池成組后循環次數的制約,公交車通常在3年左右即需要更換電池,運營單位成本壓力較大。

(6)對電網影響較大

首先大規模應用純電動汽車,由于充電需求較大,充電設備對電網的諧波干擾將會凸顯,影響電網的供電質量;其次,在快充時,由于是大倍率充電,因此充電功率較高(乘用車在50kW、客車在150~250kW左右),對電網的負荷沖擊較大。

因此,基于目前鋰離子電池的技術水平來看,其電動汽車方面的應用主要在行駛里程小于200km的短途純電動汽車中。

抑制異常產氣的措施

在正常電壓范圍內,產氣量較少,而且大多為碳氫化合物,當有異常產氣發生時,會產生大量氣體,破壞電極界面結構,導致電解液分解失效,嚴重時沖破封裝區造成漏液,腐蝕危險。抑制異常產氣需要從材料設計和制造工藝兩方面著手。

首先要設計優化材料及電解液體系,保證形成致密穩定的SEI膜,提高正極材料的穩定性,抑制異常產氣的發生。

針對電解液的處理常常采用添加少量的成膜添加劑的方法使SEI膜更均勻、致密,減少電池在使用過程中的SEI膜脫落和再生過程產氣導致電池鼓脹,相關研究已有報道并在實際中得到應用,如哈爾濱理工大學的成夙等報道,使用成膜添加劑VC可以減少電池氣脹現象。但研究多集中在單組分添加劑上,效果有限。華東理工大學的曹長河等人,采用VC與PS復合作為新型電解液成膜添加劑,取得了很好的效果,電池在高溫擱置和循環過程中產氣明顯減少。研究表明,EC、VC形成的SEI膜組分為線性烷基碳酸鋰,高溫下附在LiC的烷基碳酸鋰不穩定,分解生成氣體(如CO2等)而產生電池鼓脹。而PS形成的SEI膜為烷基磺酸鋰,雖膜有缺陷,但存在著一定的二維結構,附在LiC高溫下仍較穩定。當VC和PS復合使用時,在電壓較低時PS在負極表面形成有缺陷的二維結構,隨著電壓的升高VC在負極表面又形成線性結構的烷基碳酸鋰,烷基碳酸鋰填充于二維結構的缺陷中,形成穩定附在LiC具有網絡結構的SEI膜。此種結構的SEI膜大大提高了其穩定性,可以有效抑制由于膜分解導致的產氣。

此外由于正極鈷酸鋰材料與電解液的相互作用,使其分解產物會催化電解液中溶劑分解,所以對于正極材料進行表面包覆,不但可以增加材料的結構穩定性,還可以減少正極與電解液的接觸,降低活性正極催化分解所產生的氣體。因此,正極材料顆粒表面形成穩定完整的包覆層也是目前的一大發展方向。

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