三元鋰電池分類

2021-02-25 鋰電江湖

文章來源：鉅大鋰電

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三元鋰電池概述

鋰離子電池的正極材料有很多種，按正極材料的不同，可分為鈷酸鋰，錳酸鋰，三元材料，磷酸鐵鋰和鈦酸鋰等。三元鋰電池是指使用鎳、鈷、錳三種過渡金屬氧化物作為正極材料的鋰電池，由於它綜合了鈷酸鋰，鎳酸鋰和錳酸鋰三類材料的優點，性能優於以上任一單一組分正極材料。實驗分析標明，三種不同化合價的元素形成了超晶格結構，三種組分之間存在明顯的協同效應，使得材料更加穩定，且放電平臺高達3.6V，因此被認為是最有應用前景的正極材料之一。三元電池具有能量密度高，安全穩定性好，支持高倍率放電等優異的電化學特性，以及價格適中的成本優勢，在消費類數碼電子產品，工業設備，醫療儀器等中小型鋰電池領域獲得了廣泛應用，並在智慧機器人，AGV物流車，無人機和新能源汽車等動力鋰電池領域顯示出了強勁的發展潛力。

目前對三元材料的研究主要集中在前驅體的製備，材料的合成以及電化學性能與結構的關係上。該材料中大部分過渡金屬元素Ni、Co、Mn分別以+2、+3、+4價態存在，在充放電過程中，發生電化學反應的只有Ni2+/Ni4+和Co3+/Co4+，Mn基本不參與電化學反應，只是起到穩定材料結構的作用。關於製備方法，工業上常用的合成方法有：高溫固相法，共沉澱法，溶膠-凝膠法，水熱合成法，燃燒法等。三元材料是一種綜合性能優越的鋰電池正極材料，在一定範圍內改變三種材料的摩爾配比，並加入相應的添加劑（粘結劑，導電劑，集流體等），可以得到在某一方面有突出的表現特性，比如動力型三元鋰電池，容量型三元鋰電池，超低溫三元鋰電池等等。

三元聚合物鋰電池

三元聚合物鋰電池是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰（Li（NiCoMn）O2）三元正極材料，且使用凝膠聚合物電解質的鋰電池。電解液作為離子運動的傳輸介質，一般由溶劑和鋰鹽組成，鋰二次電池的電解液主要有液體電解液，離子液體電解液，固態聚合物電解質和凝膠聚合物電解質。凝膠聚合物電解質由聚合物，有機溶劑和鋰鹽組成，通過將有機電解液和固態聚合物基質混合製得。因以凝膠態形式存在，兼具了固體電解質和液體電解液的優點，由於電解液被限制在聚合物鏈中，在較寬的溫度範圍內也具有較高的離子電導率（可達10-3S/cm）。其最大的優點是隔膜機械強度高，薄膜提供了很大的表面積。薄膜越薄能量密度越高，因為更多的活性物質可以嵌入電池中。另外，其電化學穩定性也非常好，耐高溫，市面上的高溫電池大部分均採用聚合物電解質。

三元動力鋰電池

所謂動力電池是指電池支持高倍率大電流放電，功率密度高，單位時間內釋放的能量多。倍率放電能力指的是充放電倍率增加的情況下，電池容量的保持能力。充放電的倍率用xC表示，1C意味著電池的標稱容量能在1h用完，而以2C的倍率放電則可用30min。

電池的動力/倍率性能與電池的設計密切相關，受多種因素的影響，比如電解液，隔膜，活性材料的類型，活性顆粒的大小等等。這些因素中間，電極的厚度是影響大電流放電能力的主要因素。倍率放電能力可以通過將電極變薄而大大改進，因為薄的電極裡面具有較小的電子阻抗和離子阻抗，然而電極變薄會導致電極內更少的活性物質量，因此電池容量會減少。所以三元動力鋰電池主要的技術挑戰在於不減少容量的情況下增加大電流放電能力。

對三元動力鋰電池來說，目前研究最多，技術最成熟的當屬日本松下公司，實驗階段已經可以實現30C放電，其中已經成功實現商業化大規模生產的動力型18650三元鋰電池放電倍率可達12C，容量也高達3300mAh。國內也有廠家做到較高的放電倍率，但電池的穩定性還有待提高，尤其在使用一段時間後，其循環壽命和倍率放電能力會大大減小。有研究報導，通過顆粒包覆和改性等方法，可以提高鋰電池的倍率性能。

三元低溫鋰電池

電池的溫度特性是電池可靠性的指示器，電池的性能也可通過改變環境溫度來進行評估。鋰電池的低溫特性主要從低溫放電特性和循環壽命來考察，低溫電池最主要的是保持低溫條件下物質的流動性，使鋰離子能夠自由穿梭於正負極之間，實現電池的充放電。比如使用熔點低的電解液，減小活性材料的粒徑，將增強電池的低溫性能，這是因為增加了鋰離子的通道，在一定程度上彌補了低溫下鋰離子移動慢的缺陷。

目前國內外的三元鋰電池廠家基本都能做到-20度的放電溫度，且放電容量大於50%，循環壽命在400次左右，完全可以滿足普通的用電器具和用電場景。但是在航空航天，特種設備等特殊產品，或者北方，高山等嚴寒環境下，鋰電池必須能達到更低的放電工作溫度以滿足苛刻的使用條件。東莞市鉅大電子有限公司特種電芯研究院，聚集了一大批電化學專家和行業內高工教授，憑藉強大的研發團隊，成功研製出低溫-40度放電，且放電容量高達67%的，主要針對軍事和特種應用的超低溫鋰電池，並成功實現商業化大批量生產。

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