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目录:电池专题发布时间:2021-07-06 17:38:22点击率:
我们常常会说到三元锂电池或者铁锂电池,这些都是按照正极活性材料来给锂电池命名的。常见六种锂电池具体包括:钴酸锂,锰酸锂,镍钴锰酸锂(NCM),镍钴铝酸锂(NCA),磷酸铁锂,钛酸锂。
其高比能量使钴酸锂成为手机,笔记本电脑和数码相机的热门选择。钴酸锂的缺点是寿命相对较短,热稳定性低和负载能力有限(比功率)。像其他钴混合锂离子电池一样,钴酸锂采用石墨负极,其循环寿命主要受到固体电解质界面(SEI)的限制,主要表现在SEI膜的逐渐增厚,和快速充电或者低温充电过程的负极镀锂问题。较新的材料体系增加了镍,锰和/或铝以提高寿命,负载能力和降低成本。
图1 平均钴酸锂电池的蜘蛛图
六角蜘蛛图总结了与运行相关的具体能量或容量方面的钴酸锂性能。钴酸锂在高比能量方面表现出色,但在功率特性、安全性和循环寿命方面只能提供一般的性能表现。
表2 钴酸锂的特性
二、锰酸锂(LiMn2O4)图3显示了典型锰酸锂电池的蜘蛛图。这些特性参数似乎不太理想,但新设计在功率,安全性和寿命方面有所改进。纯锰酸锂电池今天不再普遍; 它们只在特殊情况下应用。
图3 纯锰酸锂电池的蜘蛛图
大多数锰酸锂与锂镍锰钴氧化物(NMC)混合,以提高比能量并延长寿命。这种组合带来了每个系统的最佳性能,而大多数电动汽车,如日产Leaf,雪佛兰Volt和宝马i3都选用了LMO(NMC)。电池的LMO部分可以达到30%左右,可以在加速时提供较高的电流; NMC部分提供了很长的续航里程。
锂离子电池研究倾向于将锰酸锂与钴,镍,锰和/或铝组合作为活性正极材料。在一些架构中,少量硅被添加到负极。这提供了25%的容量提升; 然而,硅随着充放电膨胀和收缩,从而引起机械应力,容量提升通常与短的循环寿命紧密联系。
锂离子电池研究倾向于将锰酸锂与钴,镍,锰和/或铝组合作为活性正极材料。在一些架构中,少量硅被添加到负极。这提供了25%的容量提升; 然而,硅随着充放电膨胀和收缩,从而引起机械应力,容量提升通常与短的循环寿命紧密联系。
表4 锰酸锂氧化物的特性
三、镍钴锰酸锂(NMC)由于钴的高成本,电池制造商从钴系转向镍正极。镍基系统比钴基电池具有更高的能量密度,更低的成本和更长的循环寿命,但是它们的电压略低。新型电解质和添加剂可以使单只电池充电至4.4V以上,从而提高电量。图7展示了NMC的特性。
图5 NMC的蜘蛛图
由于该体系经济性和综合性能表现均比较好,因此NMC混合锂离子电池越来越受到重视。镍,锰和钴三种活性材料可轻松混合,以适应需要频繁循环的汽车和能源存储系统的广泛应用。NMC家族的多样性正在增长。
表6 锂镍锰钴氧化物(NMC)的特性
四、磷酸铁锂(LiFePO4)
图7 典型磷酸锂电池的蜘蛛图
常用磷酸锂代替铅酸起动蓄电池。四个串联电池产生12.80V,与六个2V铅酸电池串联的电压相似。车辆将铅酸充电至14.40V(2.40V/电池)并保持浮充状态。浮充的用意在于保持完全充电水平并防止铅酸电池硫酸化。
通过串联四个磷酸锂电池,每个电池的电压均为3.60V,这是正确的满充电电压。此时,应该断开充电,但驾驶时继续充电。磷酸锂容忍一些过度充电; 然而,由于大多数车辆在长途旅行中长时间保持电压在14.40V,可能会增加磷酸锂电池的机械应力。时间会告诉我们磷酸锂作为铅酸电池的替代品能够承受多长时间的过充电。低温也会降低锂离子的性能,可能会影响极端情况下的起动能力。
通过串联四个磷酸锂电池,每个电池的电压均为3.60V,这是正确的满充电电压。此时,应该断开充电,但驾驶时继续充电。磷酸锂容忍一些过度充电; 然而,由于大多数车辆在长途旅行中长时间保持电压在14.40V,可能会增加磷酸锂电池的机械应力。时间会告诉我们磷酸锂作为铅酸电池的替代品能够承受多长时间的过充电。低温也会降低锂离子的性能,可能会影响极端情况下的起动能力。
表8 磷酸铁锂的特性
镍钴铝酸锂电池或NCA自1999年以后被应用。它具有较高的比能量,相当好的比功率和长的使用寿命与NMC有相似之处。不太讨人喜欢的是安全性和成本。图9总结了六个关键特征。
图9NCA的蜘蛛图
NCA是锂镍氧化物的进一步发展;加入铝赋予电池更好的化学稳定性。高能量和功率密度以及良好的使用寿命使NCA成为EV动力系统的候选者。高成本和边际安全性却有负面的影响。
表10 镍钴铝酸锂(NCA)的特性
六、钛酸锂
图11 钛酸锂蜘蛛图
LTO(通常是Li4Ti5O12)零应变,没有SEI膜形成和在快速充电和低温充电时无锂电镀现象,因而具有优于传统的钴掺混的Li-离子与石墨阳极的充放电性能。高温下的热稳定性也比其他锂离子体系好; 然而,电池价格昂贵。比能量低,只有65Wh/kg,与NiCd相当。钛酸锂充电至2.80V,放电结束时为1.80V。图13显示了钛酸锂电池的特性。典型用途是电动动力传动系统,UPS和太阳能路灯。
表12 钛酸锂的特性
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