丸子~

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锂离子电池正极材料(x酸锂类,三元锂NCM,NCA)与负极材料 碳负极?

2021-3-6 22:01:32 显示全部楼层

锂离子电池以含锂的化合物正极,以碳素材料负极
锂电池的正极材料有钴酸锂LiCoO2 、锰酸锂Li2MnO4、磷酸铁锂、三元材料NCM镍钴锰Ni+Co+Mn、三元材料NCA镍钴铝Ni+Co+Al,加导电剂粘合剂涂在铝箔上形成正极

锂电池的负极材料是层状石墨加导电剂及粘合剂涂在铜箔基带上,至今比较先进的负极层状石墨颗粒已采用纳米碳。常用的负极材料包括碳材料及硅基材料等

在锂离子电池材料中,负极材料属于重要的组成部分,能够对整体电池的性能产生较大影响。目前,负极材料主要被划分为两个类别,一种为商业化应用的碳材料,例如天然石墨、软碳等,另一类为正处于研发状态,但是市场前景一片大好的非碳负极材料,例如硅基材料、合金材料、锡金材料等等。

https://www.sohu.com/a/317612879_120165589

.三元正极材料

具有较为显著的三元协同效应,其与钴酸锂相比较能够看出,在热稳定性方面存在较大的优势,并且生产成本较为低廉,能够成为钴酸锂最佳代替材料。但是其密度较低、循环性能方面也有待提高。对此,可以采用改进合成工艺以及离子掺杂等进行调整。

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图/三元正极材料综合性能图示

三元材料主要应用于钢壳、铝壳等圆柱形锂离子电池当中,但在软包电池中由于受到膨胀因素影响,使其的应用受到较大限制。

在未来的应用中,其发展方向主要有两个方面:

第一,向着高锰方向,主要在蓝牙、手机等小型便携式设备方面发展。

第二,向着高镍方向,主要在电动自行车、电动汽车等对能量密度需求较高的领域中进行应用。

随着动力电池能量密度的逐渐提高,三元材料已经成为动力电池的主流材料,并且在日渐提升的比能量的推动下,三元材料也在向着容量更高的高镍材料发展,高镍材料目前我们主要有两个选择:NCM和NCA,

目前市场上NCM和NCA是两种思路,都是为了解决LiNiO2的稳定性问题,Mn和Al都是不发挥容量的,类似的支撑作用,稳定性更好;锰Mn的掺入可以引导锂Li和镍Ni层间混合,并且可以改善材料的高温性能。铝Al的掺入则可以一定程度上改善材料的结构稳定性,从而改善循环稳定性

在NCA和NCM中,Mn和Al的作用可以说是相同的,起到支撑结构的作用;但是由于其化合价的不同,Mn通常为+4价,而Al 为+3,从而影响到Ni和Co的化合价,尽而对层状化合物中阳离子混排有一定的影响。至于哪个掺杂更优,不能单一而论,要看具体的某项指标。

同样的镍含量,NCM容量高,NCA的热稳定性好,尤其是高温储藏。

NCM中的锰有少量是三价,所以充放电中提供部分容量。NCA的铝价态不变,造成比NCM容量低。因铝价态不变,所以高温时较稳定

NCM中的锰基本上是四价,造成多余的Ni2+,所以充放电中提供部分容量。NCA的铝价态不变,造成比NCM容量低。但Al与O的结合能最大,所以结构更加稳定。


高能量密度与高稳定安全性,在车载动力电池领域,向来是一个“鱼和熊掌不可兼得”的问题,而在这方面做得比较好的宁德时代,也只是对二者做出了比较合理的平衡。如宁德时代

当前,宁德时代的高端产品811三元锂电池,虽然拥有不错的能量密度,但是因为镍的含量占比,达到了80%,比重较高。

国产电动车主要使用镍钴锰(NCM)三元锂电池,含有锰元素后,电池稳定性更加,同时镍元素比例降低,电池也更安全。而811三元锂电池,就是镍钴锰电池中的一种“最优解”。

该电池的结构,即正极材料中为镍钴锰,同时含量比例为80%:10%:10%的三元锂电池。对于NCM材料而言,Ni的含量越高则材料的容量越高,而材料的稳定性也会越差,材料的循环性能也会相应下降。

单体能量密度高,可达到300Wh/kg,这也是国产车使用了811三元锂电池后,续航力能普遍暴增的原因之一。

但是,811型电池也是存在隐患的,随着镍含量的提高,正极材料的稳定性随之下降。

循环充放电以及高温下,容量加速衰减,电池使用寿命下降,同时热失控的自燃风险也上升。

因此,目前动力电池领域,针对容量、安全性两个方面,很难做到完美平衡,更多的是一种取舍。

这也是当前,包括宁德时代、LG、松下等电池厂商具体,迫切开发寻找新电池技术的重要原因。

短期内811仍将作为宁德时代的主攻战略。未来,宁德时代将推出不含镍钴锰的锂电池,内部起名叫“无金属电池”。


特斯拉的续航表现优秀,主要原因是其使用了镍钴铝(NCA)三元锂电池。

能量密度高,制作工艺要求及成本都较高,但是结构不稳定,容易发生热失控,这也是特斯拉的“事故”频上演的主要原因。TESLA并没有从电池管理角度解决低温充电问题,对于NCA电池低温充电更是致命的。液态电介质电池在较低温度下如-10度甚至更低的温度下充电会出事故

以ModelS系列为例,电池成本约占到整车总成本的50%,其次为BMS电池管理系统,约25%左右,其余包括车身等构件总计约25%

http://www.elecfans.com/d/1289827.html

NCA材料在循环性能上优于NCM材料,但是在循环中颗粒更容易发生粉化和破碎,NCM材料在循环中则面临着过渡金属元素溶解和溶解的过渡金属迁移到负极表面,造成负极SEI膜持续生长等问题。

碳负极材料

此种类型的材料无论是能量密度、循环能力,还是成本投入等方面,其都处于表现均衡的负极材料,同时也是促进锂离子电池诞生的主要材料,碳材料可以被划分为两大类别,即石墨化碳材料以及硬碳。其中,前者主要包括人造石墨以及天然石墨。

离子电池在使用的过程中,能够进行二次充电,属于一种二次可充电电池,主要工作原理:锂离子在正负极之间的反复移动,无论电池的形状如何,其主要组成部分都为电解液、正极片、负极片以及隔膜。


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http://news.chinatungsten.com/cn/tungsten-information/128684-ti-18176

同样是锂离子电池重要的组成结构,正极材料与负极材料有什么区别呢?

我们又应该怎样判断一种材料是作为锂离子电池的正极材料还是负极材料呢?

锂离子电池正极材料和负极材料的主要区别是电位的不同。正常,正极材料的电位较高,负极材料的电位较低,这样才能形成较大的电位差,是电池构成的主要前提。


锂离子电池对正极材料的基本要求

1、材料自身电位高,这样才能与负极材料之间形成较大的电位差,带来高能量密度的电芯设计。

2、材料含锂量高且锂离子嵌入脱嵌必须是可逆,这是高容量锂离子电池的前提。

3、材料的扩散系数大,较强的嵌入和脱嵌的能力,这样锂离子才能在材料内部迅速移动,这是影响电芯内阻的因素,也是影响功率特性的因素。

4、材料比表面积大,有大量的嵌锂位置,而且锂离子的嵌入通道相对较短,则嵌入和脱嵌更容易。

5、与电解液的兼容性和热稳定性好,这点是出于安全性考虑。


锂离子电池对负极材料的基本要求

1、嵌锂电位低且平稳,以保证较高的输出电压。

2、允许较多的锂离子可逆脱嵌,比容量较高。

3、在充放电过程中结构相对稳定,具有较长的循环寿命。

4、较高的电子电导率、离子电导率和低的电荷转移电阻,以保证较小的电压极化和良好的倍率性能。

5、能够与电解液形成稳定的固体电解质膜,保证较高的库仑效率。

锂离子电池除了对正负极材料有以上的要求外,正负极材应该有价格便宜、来源广泛、无毒无害等特点。


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curton

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火引冰薪

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火引冰薪 2021-3-9 09:22:28 显示全部楼层
电池正极材料原来是这样

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