正极材料的性能.doc

锂离子电池 正极材料的性能
2007-09-20 21:28:51
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　　正极中表征离子输运性质的重要参数是化学扩散系数,通常情况下，正极活性物质中锂离子的扩散系数都比较低。锂嵌入到正极材料或从正级材料中脱嵌，伴随着晶相变化。因此，锂离子电池的电极膜都要求很薄，一般为几十微米的数量级。正极材料的嵌锂化合物是锂离子电池中锂离子的临时储存容器。为了获得较高的单体电池电压，倾向于选择高电势的嵌锂化合物。正极材料应满足：
　　1）在所要求的充放电电位范围内，具有与电解质溶液的电化学相容性；
　　2）温和的电极过程动力学；
　　3）高度可逆性；
　　4）全锂化状态下在空气中的稳定性。
　　层状LiMO2和尖晶石型LiM2O4结构的化合物及复合两种M（M为Co，Ni，Mn，V等过渡金属离子）的类似电极材料上。作为锂离子电池的正极材料，Li＋离子的脱嵌与嵌入过程中结构变化的程度和可逆性决定了电池的稳定重复充放电性。正极材料制备中，其原料性能和合成工艺条件都会对最终结构产生影响。多种有前途的正极材料，都存在使用循环过程中电容量衰减的情况，这是研究中的首要问题。已商品化的正极材料有Li1－xCoO2（0循环寿命长，能快速充放电等优点，但安全性差；锂镍氧较锂钴氧价格低廉，性能与锂钴氧相当，具有较优秀的嵌锂性能，但制备困难；而锂锰氧价格更为低廉，制备相对容易，而且其耐过充安全性能好，但其嵌锂容量低，并且充放电时尖晶石结构不稳定。从应用前景来看，寻求资源丰富、价廉、无公害，还有在过充电时对电压控制和电路保护的要求较低等优点的，高性能的正极材料将是锂离子电池正极材料研究的重点。国外有报道LiVO2亦能形成层状化合物，可作为正极电极材料

锂离子动力电池的工作原理及特点
1 锂离子电池的工作原理
锂离子电池的工作原理是：电池充电时，正极材料中的锂脱出来，穿过隔膜进入到负极石墨中；电池放电时，锂离子又从负极石墨中脱出来，穿过隔膜回到正极材料中。随充放电的进行锂离子不断的从正极和负极中嵌入和脱出。
3 锂离子动力电池的特点
（1） 单体电池工作电压高达3.7V，是镍镉电池, 镍氢电池的3倍，铅酸电池的近2倍，这也是锂电池比能量高的一个重要原因。因此组成相同电压的动力电池组时，锂电池使用的串联数目会大大少于铅酸电池和镍氢电池。如果动力电池中单体电池数量越多，电池组中单体电池的一致性要求就越高，寿命就越不好做，在实际使用过程中电池组有问题分析后，一般是其中一、两个单体电池出问题然后导致整组电池出现问题，因此不难理解为什么48V的铅酸电池比36V的铅酸电池反馈要高，从这个角度上讲锂电更适合动力电池的使用。例如36V的锂电只需要10个单体，而36V铅酸电池需要18个单体电池，即3只12V的电池组，而每只12V的铅酸电池有六个单格即六个单体电池组成。
（2）重量轻，比能量大，高达150Wh/Kg,是镍氢电池的2倍，铅酸电池的4倍, 因此重量是相同能量的铅酸电池的三分之一到四分之一，从这个角度讲锂电消耗的资源就少，而且由于锰酸锂电池中所用元素的储量比较多，因此相对铅酸、镍氢电池可能会进一步涨价，锂电池成本反而是进一步降低的。电动自行车用锂离子电池重量为2.2-4公斤，铅酸电池的重量为12-20公斤，锂电重量约为铅酸电池的四分之一到三分之一，比铅酸电池轻约10公斤（36V，10Ah电池），电池重量减轻了70％,整车总重量至少减轻了20％。加上一般锂电车都是简易款的电动自行车，由于电池和整车轻，相同电压、相同容量的电池行驶里程更长，普通的电动车重量在40公斤以上,而锂电池电动自行车重量在7到26公斤之间。女士和老年人都可以轻易搬动,人力骑行也十分轻便，运动休闲兼得。
（3） 体积小，高达到400Wh/L，体积是铅酸电池的二分之一到三分之一。提供了更合理的结构和更美观的外形的设计条件、设计空间和可能性。现阶段由于铅酸电池体积、重量的限制，设计师们的设计思想受到极大约束，导致现阶段的电动自行车在结构和外观上“千车一面”、雷同相似、单调划一。而锂离子电池的使用，给设计师们提供了展示设计思想和设计风格的更大空间及条件。当然同时也导致电动自行车用锂电池尺寸多种多样，不利于锂动力电池行业的发展。锂动力电池行业也需要尽快制定电动自行车用锂离子电池国家标准，加速在电动自行车领域锂电对铅酸电池的替代。当然目前锂电池是在不断发展过程中的不同材料、不同工艺电池的体积有很大的差别，如何统一也是一个难点。
（4） 循环寿命长，循环次数可达1000次。以容量保持60%计，电池组100%充放电循环次数可以达到600次以上，使用年限可达3-5年,寿命约为铅酸电池的两到三倍。随着技术的革新，设备的提高，电池的寿命会越来越长，性价比会越来越高。
（5） 自放电率低，每月不到5%。
（6） 允许工作温度范围宽，低温性能好，锂离子电池可在-20℃～+55℃之间工作，尤其适合低温使用，而水溶液电池(比如铅酸电池、镍氢电池)在低温时，由于电解液流动性变差会导致性能大大降低。
（7） 无记忆效应，所以每次充电前不必像镍镉电池、镍氢电池一样需要放电，可以随时随地的进行充电。电池充放电深度，对电池的寿命影响不大，可以全充全放，我们循环测试就是全充全放的。
（8）特别适合用于动力电池，除了锂离子电池电压高之外，由于锂离子动力电池组的保护板能够对每一个单体电池进行高精度监测，低功耗智能管理，具有完善的过充电、过放电、温度、过流、短路保护、锁定自恢复功能以及可靠的均衡充电功能，大大的延长了电池的使用寿命。而其他类型电池（比如铅酸电池）在使用过程中由于电池一致性、充电器等问题，易产生电池过充、过放等问题（由于成本等各方面的原因，铅酸电池组内不能对每一个单体电池进行监测和保护）。
（9） 无污染，双登的锂电池中不存在有毒物质，因此被称为“绿色电池”，国家重点扶持。而铅酸电池和镉镍电池由于存在有害物质铅和镉，国家必然会加强监管和治理（铅酸电池出口退税的取消，铅资源税的增加，铅酸电动自行车出口的受限），相应企业的成本也会增加。虽然锂电池没有污染，但从资源节约的角度考虑，锂电池的回收，回收中的安全性，回收的成本也都需要考虑。
（10）存在安全隐患；由于锂电池比能量高，材料稳定性差，锂电容易出现安全问题，目前世界上知名的手机和笔记本电脑电池（正极材料为钴酸锂和三元材料）生产企业，日本三洋、索尼等公司要求电池的爆喷率控制在40个ppb(十亿分之一)以下，国内公司能达到ppm(百万分之一)级的就已经不错了，而动力电池的容量是手机电池容量的上百倍以上，因此对锂电的安全性要求极高。虽然钴酸锂电池和三元材料的电池具有重量更轻，体积更小等优点，但它们是不适合作动力电池应用于电动车的。
(11)价格高；相同电压和相同容量的锂离子电池价格是铅酸的3-4倍。随着锂离子动力电池市场的扩大，成本的降低，性能的提高，以及铅酸电池价格的提高，两、三年之后锂离子动力电池的性价比是有可能超过铅酸电池的。
电池类型
电压
/V
重量比能量
/Wh/kg
体积比能量
/Wh/L
循环寿命
/次
每月自放电率
有害物质
铅酸电池
2
30-45
60-90
300-500
4-5%
铅
镉镍电池
1.2
40-60
100-150
500-1000
20-30%
镉
镍氢电池
1.2
60-80
150-200
500-1000
30-35%
/
锂离子电池
3.7
110-190
250-500
500-2000
<5%
/

电池类型
锂离子电池
铅酸电池
镍氢电池
锰酸锂、三元材料、钴酸锂电池
磷酸亚铁锂电池
单体电池标称电压
3.7V
3.2V
2V
1.2V
24V所需单体电池数
7串
（25.9V）
8串
(25.6V)
12串
一般用12V，10Ah的铅酸电池串联，而每只12V,10Ah的电池中有6个单格组成也就是由6节单体电池组成
20串
36V所需单体电池数
10串
(37V)
12串
(38.4V)
18串
30串
48V所需单体电池数
13串
(48.1V)
15串
(48V)
24串
40串