硬件型号:松下LM9000锂电池

 

系统版本:锂电池系统

 

锂电池有四大关键材料,分别为:正极材料、负极材料、电解液、以及隔膜。

1、正极材料

主要包括:锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物和聚阴离子正极材料系列。

1.锂钴氧化物

锂钴氧化物是现阶段商品化锂离子电池中应用最成功、最广泛的正极材料。其在可逆性、放电容量、充放电效率和电压稳定方面是比较好的。

LiCoO2属于α-NaFeO2型结构,它具有二维层状结构,适合锂离子的脱嵌,其理论容量为274mAh/g,但在实际应用中,由于结构稳定性的限制,最多只能把晶格中的一半Li+脱出,因此实际比容量约为140mAh/g 左右,其平均工作电压高达3.7V。因其容易制备,具有电化学性能高,循环性能好、性能稳定和充放电性能优良等优点,成为最早大规模商业化应用于锂离子电池的正极材料,目前商品化锂离子电池70%以上仍然采用钴酸锂作为其正极材料。

2.锂镍氧化物

镍酸锂(LiNiO2)为立方岩盐结构,与LiCoO2相同,但其价格比LiCoO2低。LiNiO2理论容量为276mAh/g,实际比容量为140~180mAh/g,工作电压范围为2.5V~4.2V,无过充或过放电的限制,具有高温稳定性好,自放电率低,无污染,是继LiCoO2之后研究得较多的层状化合物。但LiNiO2作为锂离子电池正极材料存在以下问题亟待研究解决。

3.锂锰氧化物

我国锰资源储量丰富,而且锰无毒,污染小,因此层状结构的LiMnO2和尖晶石型的LiMn2O4都成为了正极材料研究的热点。 

4.锰镍钴复合氧化物

层状锰镍钴复合氧化物正极材料综合了LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2 三种层状材料的优点,其综合性能优于以上任一单一组分正极材料,存在明显的三元协同效应:通过引入Co,能够减少阳离子混合占位情况,有效稳定材料的层状结构;通过引入Ni,可提高材料的容量;通过引入Mn,不仅可以降低材料成本,而且还可以提高材料的安全性。而LiMnxNiyCo1-x-yO2材料充放电平台略高于LiCoO2,适合现有各类锂离子电池应用产品,有望取代现有各类其他正极材料。

5.锂钒氧化物

钒为多价态金属,与锂可形成多种氧化物,主要包括层状的LiVO2、LixV2O4、Li1+xV3O8和尖晶石型LiV2O4、反尖晶石型LiVMO4(M=Ni,Co)。

6.锂铁氧化物

随着锂二次电池的出现,人们对可脱嵌锂离子的层状LiFeO2就进行了许多深入的研究。但由于Fe4+/Fe3+电对的Fermi能级与Li+/Li的相隔太远,而Fe3+/Fe2+电对又与Li+/Li的相隔太近,因此层状LiFeO2一直未能得到应用。近几年来,随着对LiFePO4导电机理的认识不断提高,各种改善其导电性能的方法不断出现,使LiFePO4的实际应用成为了可能。Thackeray认为LiFePO4的发现,标志着“锂离子电池一个新时代的到来”。

2、负极材料

负极材料,是电池在充电过程中,锂离子和电子的载体,起着能量的储存与释放的作用。在电池成本中,负极材料约占了5%-15%,是锂离子电池的重要原材料之一。

锂离子电池负极材料未来将向着高容量、高能量密度、高倍率性能、高循环性能等方面发展。现阶段锂离子动力电池负极材料基本上都是石墨类碳负极材料,对石墨类碳负极材料进行表面包覆改性,增加与电解液的相容性、减少不可逆容量、增加倍率性能也是当下提升的一个重点。负极材料钛酸锂,对其进行掺杂,提高电子、离子传导率是作为现阶段一个重要的改进方向。硬碳、软碳、合金等负极材料,虽然由较高的容量,但是循环稳定性问题还在困扰着我们,对其的改性研究仍在探索改善中,由于市场对高能量密度电芯的需求加速,可能会催促该类材料的研发和应用。锂金属负极,虽然具有很高的能量密度,但是其存在的固有的锂枝晶等安全问题尚无行之有效的解决办法,其大规模的实际应用尚需时日。

3、电解液

锂电池电解液是电池中离子传输的载体。一般由锂盐和有机溶剂组成。电解液在锂电池正、负极之间起到传导离子的作用,是锂离子电池获得高电压、高比能等优点的保证。电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、必要的添加剂等原料,在一定条件下、按一定比例配制而成的。

4、隔膜

锂电池的结构中,隔膜是关键的内层组件之一。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等,直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性,性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。 隔膜的主要作用是使电池的正、负极分隔开来,防止两极接触而短路,此外还具有能使电解质离子通过的功能。隔膜材质是不导电的,其物理化学性质对电池的性能有很大的影响。电池的种类不同,采用的隔膜也不同。对于锂电池系列,由于电解液为有机溶剂体系,因而需要有耐有机溶剂的隔膜材料,一般采用高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜。