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鋰電池高電壓技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

時(shí)間:2024-09-02 14:42:18來源:鉅大LARGE

導(dǎo)語:?隨著用電設(shè)備對(duì)鋰電池容量要求的不斷提高,人們對(duì)鋰電池能量密度提升的期望越來越高。特別是智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等各種便攜設(shè)備,對(duì)體積小、待機(jī)時(shí)間長的鋰電池提出了更高的要求。

  隨著用電設(shè)備對(duì)鋰電池容量要求的不斷提高,人們對(duì)鋰電池能量密度提升的期望越來越高。特別是智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等各種便攜設(shè)備,對(duì)體積小、待機(jī)時(shí)間長的鋰電池提出了更高的要求。同樣在其他用電設(shè)備,如:儲(chǔ)能設(shè)備、電動(dòng)工具、電動(dòng)汽車等也在不斷開發(fā)出質(zhì)量更輕、體積更小、輸出電壓和功率密度更高的鋰電池,所以發(fā)展高能量密度的鋰電池是鋰電池行業(yè)的重要研發(fā)方向。

  一、高電壓鋰電池開發(fā)的背景

  為了設(shè)計(jì)高能量密度的鋰電池,除了對(duì)其空間利用率的不斷優(yōu)化,提高電池正負(fù)極材料的壓實(shí)密度和克容量,使用高導(dǎo)電碳納米和高分子粘接劑來提高正極和負(fù)極活性物質(zhì)含量外,提升鋰電池的工作電壓也是增大電池能量密度的重要途徑之一。

  在鋰電池的截止電壓正由原來的4.2V逐步過渡到4.35V、4.4V、4.45V、4.5V和5V,其中5V鎳錳鋰電池具有高能量密度、高功率等優(yōu)異特性,將是未來新能源汽車及儲(chǔ)能領(lǐng)域發(fā)展的重要方向之一。隨著電源研發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展,將來更高電壓、更高能量密度的鋰電池將逐漸走出實(shí)驗(yàn)室,為消費(fèi)者服務(wù)。

  二、高電壓鋰電池應(yīng)用現(xiàn)狀

  通常說的高電壓鋰電池是指單體充電截止電壓高于4.2V的電池,如:在手機(jī)上使用的鋰電池,截止電壓由4.2V發(fā)展到4.3V、4.35V,再到4.4V(小米手機(jī)、華為手機(jī)等)。目前4.35V和4.4V的鋰電池已在市場上成熟使用,4.45V和4.5V也開始受到市場青睞,逐步會(huì)發(fā)展成熟起來。

  目前國內(nèi)外手機(jī)和其他數(shù)碼類電子產(chǎn)品電池的生產(chǎn)廠商都在朝著高電壓鋰電池這個(gè)方向前進(jìn)。高電壓及高能量密度的鋰電池在高端手機(jī)及便攜式電子設(shè)備上會(huì)有更大的市場空間。正極材料和電解液是提高鋰電池高電壓的關(guān)鍵性材料,其中改性高電壓鈷酸鋰、高電壓三元材料的使用將更加成熟和普遍。

  高電壓鋰電池隨著電壓的提升,在使用過程中某些安全性能會(huì)降低,因此在動(dòng)力汽車上還沒有批量使用。目前動(dòng)力汽車所用電池正極材料重要還是以三元材料、磷酸鐵鋰為主。為了提升能量密度滿足需求,一般選擇811NCM和NCA等高鎳正極材料、高容量硅碳負(fù)極或提高電池空間的利用率等方式來提升其能量密度和續(xù)航能力。

  三、高電壓鋰電池重要材料及工藝進(jìn)展現(xiàn)狀

  高電壓鋰電池的性能重要是由活性材料和電解液的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)所決定的,其中正極材料是最關(guān)鍵的核心材料,電解液的匹配用途也十分重要。以下重要分析目前高電壓正極材料的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。

  1、高壓鈷酸鋰材料的研究現(xiàn)狀

  目前研究和應(yīng)用最廣泛的高電壓正極材料是鈷酸鋰,它具有二維層狀。結(jié)構(gòu),α-NaFeO2型,更適合于鋰離子的嵌入和脫出。鈷酸鋰的理論能量密度274mAh/g,其具有生產(chǎn)工藝簡單且電化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),因此市場占有率較高。鈷酸鋰材料在實(shí)際應(yīng)用中只有部分的鋰離子能夠可逆的進(jìn)行嵌入和脫出,其實(shí)際能量密度大約為167mAh/g(工作電壓為4.35V)。提升其工作電壓可以顯著提高其能量密度,例如將工作電壓由4.2V提升至4.35V其能量密度可以新增16%左右。但是在高電壓下鋰離子多次從材料中嵌入和脫出會(huì)使鈷酸鋰的結(jié)構(gòu)從三方晶系到單斜晶系發(fā)生轉(zhuǎn)變,此時(shí)鈷酸鋰材料不再具有嵌入和脫出鋰離子的能力,同時(shí)正極材料的顆粒發(fā)生松動(dòng)并從集流體上脫落,導(dǎo)致電池的內(nèi)阻變大,電化學(xué)性能變差。

  目前鈷酸鋰正極材料的改性,重要還是從摻雜和包覆2個(gè)方面對(duì)材料的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和界面穩(wěn)定性進(jìn)行提升。

  目前鈷酸鋰高電壓材料在高能量密度電池中已批量使用,如高端手機(jī)電池廠商對(duì)電池性能的要求越來越高,其中重要體現(xiàn)在對(duì)能量密度的更高要求,例如以碳作為負(fù)極的4.35V手機(jī)電池能量密度要求在660Wh/L左右,4.4V手機(jī)電池已達(dá)到740Wh/L左右,這就要求正極材料具有更高的壓實(shí)密度、更高的空量發(fā)揮,以及在高壓實(shí)和高電壓下的材料結(jié)構(gòu)具有更好的的穩(wěn)定性。但鈷酸鋰電極材料存在鈷資源匱乏且價(jià)格昂貴等缺點(diǎn),此外鈷離子具有一定的毒性,這些缺陷限制了其在動(dòng)力鋰電池中的廣泛應(yīng)用。

  2、三元材料的研究現(xiàn)狀

  為了降低鈷的用量及提高電池的安全性能,研究者開始致力于層狀三元高電壓材料(LiNixCoyMn1-x-yO2或LiNixCoyAl1-x-yO2)的研究。在該類三元材料中,鎳(Ni)元素起到供應(yīng)容量的用途,鈷(Co)能夠減少鋰(Li)和Ni的混排,錳(Mn)或鋁(Al)能提高層狀材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,從而提升電池的安全性能。該類電池重要用于一般常規(guī)數(shù)碼電池,如:充電寶、商務(wù)備用電池等,視作鈷酸鋰的代用品,提高電池的價(jià)格競爭力,以鎳鈷錳比例為5∶2∶3為最常見。在動(dòng)力汽車方面有不少廠商在試用,其提高能量密度的方式,重要是提高單體鋰電池的工作電壓和新增三元材料中的鎳含量,但目前行業(yè)還都在開發(fā)階段,沒有批量產(chǎn)品。這重要是目前動(dòng)力鋰電池首先要滿足電池的高安全性、一致性、低成本和長壽命,容量的提高還不是首要問題。

  三元材料的重要問題是隨著鎳含量的提高,材料的堿性變強(qiáng),對(duì)電池制作工藝和環(huán)境的要求越來越高;同時(shí)材料的熱穩(wěn)定性降低,在循環(huán)過程中會(huì)釋放氧氣,導(dǎo)致材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差;在充電狀態(tài)下,鎳具有較強(qiáng)的氧化性,對(duì)電解液的匹配性也提出了更高的要求。所以三元電極材料在推廣和使用上局限性較高。

  3、錳基正極材料研究現(xiàn)狀

  錳酸鋰是典型的尖晶石型結(jié)構(gòu)正極材料,文獻(xiàn)報(bào)道理論能量密度為148mAh/g,其能量密度低于鈷酸鋰和三元材料,它具有價(jià)格便宜、熱穩(wěn)定性高、環(huán)境友好及制備容易等特點(diǎn),有望在儲(chǔ)能電池及動(dòng)力鋰電池上大規(guī)模應(yīng)用。

  在動(dòng)力鋰電池上,錳酸鋰在國內(nèi)的應(yīng)用比較三元材料和磷酸鐵鋰還不夠廣泛,重要是受限于其能量密度低和循環(huán)壽命差的缺點(diǎn),出現(xiàn)電池的續(xù)航里程短和使用壽命過低的問題。錳酸鋰的循環(huán)性能尤其是高溫(55℃)循環(huán)性能一直飽受詬病,其重要影響因素分為3個(gè)方面:①表面Mn3+的溶解。由于目前常規(guī)電解液所用的鋰鹽為六氟磷酸鋰(LiPF6),電解液本身含有一定量的氫氟酸(HF)雜質(zhì),電池體系中痕量的水會(huì)導(dǎo)致LiPF6的分解出現(xiàn)HF,HF的存在會(huì)侵蝕錳酸鋰(LiMn2O4)并導(dǎo)致Mn3+發(fā)生歧化溶解,2Mn3+(固相)→Mn4+(固相)+Mn2+(溶液相)。在放電末期及大倍率放電條件下材料表面的Mn3+含量高于體相,加劇了材料表面Mn3+含的溶解。②姜泰勒效應(yīng)。電池放電過程中,特別是過放的情況下,在材料表面生成的Li1+δ[Mn2]O4,熱力學(xué)不穩(wěn)定,同時(shí)材料結(jié)構(gòu)由立方相向四方相的轉(zhuǎn)變,原有的結(jié)構(gòu)遭到破壞,因而材料的循環(huán)性能變差。③Mn4+的高氧化性。在充電末期或者過充電情況下,高度脫鋰的Li1+δ[Mn2]O4材料中Mn4+具有較強(qiáng)的

  氧化性,能夠氧化分解有機(jī)電解液,惡化電池的循環(huán)性能。目前絕大部分錳酸鋰電池能量密度小于100mAh/g,常溫循環(huán)僅能達(dá)到400~500次,高溫循環(huán)只能做到100~200次,不能滿足量產(chǎn)需求。但事實(shí)上,占全球電動(dòng)汽車銷量近20%的日產(chǎn)聆風(fēng)汽車的電池體系就是采用的錳酸鋰電池,其續(xù)航里程可達(dá)到200km左右。

  雖然錳酸鋰電池的性能受材料自身結(jié)構(gòu)的制約,但只要解決其能量密度低和循環(huán)性能差的缺點(diǎn),未來其在動(dòng)力鋰電池領(lǐng)域仍具有非常廣闊的應(yīng)用空間。

  為了提升錳酸鋰電極材料的能量密度及循環(huán)性能,一些研究者通過摻雜改性的方式提高正極材料的電壓,如LiMxMn2-xO4〔(M=鉻(Cr),鐵(Fe),Co,Ni,銅(Cu)〕5V高電壓正極材料,其中鎳錳高壓材料LiNi0.5Mn1.5O4的研究最為廣泛。鎳錳高壓材料放電比容量高達(dá)130mAh/g,平臺(tái)可達(dá)到4.7V左右,能量密度高于常規(guī)工作電壓下的鈷酸鋰的能量密度,且基本沒有Mn3+的姜泰勒效應(yīng)。當(dāng)工作電壓提高至5V左右時(shí),鎳錳高壓材料和傳統(tǒng)鈷酸鋰、錳酸鋰、三元及鐵鋰比較,具有克容量高,放電平臺(tái)高,安全性能和倍率性能高等優(yōu)點(diǎn)。其在電池組的配組方面有較大的優(yōu)勢,但其高溫性能差和循環(huán)性還有待改善。從現(xiàn)在運(yùn)用來看,還只是停留在鋼殼電池小批量生產(chǎn)階段,鎳錳高壓材料的摻雜改性及表面包覆工作還有很長的路要走。

  4、高電壓電解液的研究現(xiàn)狀

  高電壓鋰電池雖然在提高電池的能量密度方面有較大貢獻(xiàn),但也存在諸多問題。隨著能量密度提升,一般正負(fù)極的壓實(shí)密度都比較大,電解液浸潤性變差,保液量降低。低保液量會(huì)導(dǎo)致電池的循環(huán)和存儲(chǔ)性能變差。近年來隨著高電壓正極材料的不斷涌現(xiàn)和應(yīng)用,常規(guī)碳酸酯和六氟磷酸鋰體系,在4.5V以上電壓電池中會(huì)發(fā)生分解,循環(huán)性能差,高溫性能差等電池性能的下降,已不能完全滿足高電壓鋰電池的要求。因此研究匹配這些高壓正極材料的電解液體系具有十分重要的意義。

  針對(duì)高壓實(shí)密度帶來的電解液浸潤性差的問題,電解液設(shè)計(jì)方面不斷在篩選氧化電位高且黏度小的溶劑,來達(dá)到高壓實(shí)電池的性能要求。另外也在使用可以提高電解液浸潤性的添加劑或氟代溶劑來改善,效果也比較明顯。


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