三元材料是在鋰離子電池材料技術發(fā)展過程中出現(xiàn)的新型鋰電池正極材料,由于具有一些相對優(yōu)勢,鋰離子電池三元材料在市場應用上展現(xiàn)出廣闊的前景。鈷酸鋰的優(yōu)點明顯,但鈷金屬的價格高昂,錳酸鋰的優(yōu)點是倍率性能好,成本低,但耐高溫性能和循環(huán)性能不佳,鋰離子電池三元材料則是綜合二者的優(yōu)點,力求在成本和性能方面達到高的性價比。
三元材料具有能量密度高、放電容量大、循環(huán)性能好、結構比較穩(wěn)定等優(yōu)勢,已成為鋰電池正極材料的重要發(fā)展方向,并被廣泛應用于新能源汽車、電動自行車、電動工具及3C等相關領域。
三元鋰離子電池到底是哪三元?三元鋰離子電池的“三元”指的是包含鎳(Ni)、鈷(Co)、錳(Mn)或鋁(Al)三種金屬元素的聚合物,在三元鋰離子電池中做正極。三者缺一不可,在電池內(nèi)部發(fā)揮的用途。
鈷,元素符號Co,原子序數(shù)27,原子量58.9332,密排六方晶體,在周期表中位于第4周期、第Ⅷ族,常見化合價為+2、+3。鈷是具有光澤的鋼灰色金屬,比較硬而脆,有鐵磁性,加熱到1150℃時磁性消失。在常溫下不和水作用,在空氣中加熱至300℃以上時氧化生成CoO,在白熱時燃燒成Co3O4。
中國是世界上大的鈷市場,其消費市場以動力電池、3 C電池、碳化物為主要消費市場。在動力電池領域,隨著新能源汽車行業(yè)的發(fā)展,三元電池的銷量也在持續(xù)增長,而鈷的需求量也在持續(xù)增長。在3 C電池方面,由于筆記本、智能手機、平板電腦等的需求持續(xù)增加,3 C電池的銷售速度大幅提升,而隨著 TWS、無人機等新興3 C消費電子市場的迅速發(fā)展,鈷的需求量也會持續(xù)上升,而新興的消費類電子設備的迅速發(fā)展,會對鈷的需求起到一定的推動作用。很多工業(yè)都要用到鈷,因此鈷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景非常好。
鐵和鎳一樣,鈷是鐵磁性的,雖然鐵在鐵磁性元素中具有高的磁化強度,而鈷卻是可以增大此磁化強度的元素,純鐵的磁化強度為21500Gs,而組成為65%Fe、35%Co的合金其磁化強度卻可高達到24·300Gs。鈷的更的磁性已知高的居里點1121℃,已發(fā)展出多種多樣的特種的鈷鋼和鈷合金材料。
鋰離子電池是用鋰作負極活性物質的化學電池。鋰的標準電極電位負,在金屬中比重輕,反應活潑性高,因而鋰電池的電動勢和比能量很高,是一種重要的高能電池。 鋰電池的正極活性物質有氧化物、硫化物、鹵化物、鹵素、含氧酸鹽等無機電極材料,如二氧化錳、二氧化硫、硫化銅、鉻酸銀、聚氟化碳、亞硫酰氯、碘等;也可以電子導電聚合物作正極材料,如聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚咔唑等,又稱為聚合物電池。鋰電池的電解質為非水溶液、固體和熔融鹽。非水溶液電解質由有機溶劑或非水無機 溶劑加入無機鹽組成,采用的有機溶劑主要有碳酸丙烯酯、二甲基丙酰胺、乙腈、γ-丁內(nèi)酯等;非水無機溶劑有亞硫酰氯、液體二氧化硫等。無機鹽有高氯酸鋰、氯化鋁鋰、氟硼酸鋰、溴化鋰等。因鋰和水接觸立即發(fā)生激烈反應, 所以不僅電解質不能采用水溶液,而且全部材料和零部件均需嚴格脫水,并可靠密封。鋰離子電池作為一種集高能量密度和高電壓為一體的儲能裝置,已廣泛應用于移動和無線電子設備、電動工具、混合動力和電動交通工具等領域。
三元鋰電池發(fā)展與磷酸鐵鋰電池相比的結果,其主要的特點就是企業(yè)單位進行電能比較大。但是對于三元鋰電池的一個具有較大缺點是受到撞擊和高溫時起火點較低。所以對三元鋰電池的保護環(huán)境要求不是很高,以防出現(xiàn)意外。
三元鋰離子電池能量密度高,循環(huán)性能好于正常鉆酸鋰。目前,隨著配方的不斷改進和結構完善,電池的標稱電壓已達到3.7V,在容量上已經(jīng)達到或超過鉆酸鋰離子電池水平。三元材料動力鋰離子電池重要有鎳鉆鋁酸鋰離子電池、鎳鉆錳酸鋰離子電池等,高溫結構不穩(wěn)定,導致高溫安全性差,且pH值過高易使單體脹氣,進而引發(fā)故障,現(xiàn)時條件下造價也不低。
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