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    发表时间/2022-05-27
  • 三元锂离子电池发展前景及的工作原理

      三元锂离子电池是一种以镍钴锰酸锂为正极材料的锂离子电池,也称为三元锂离子电池,简称NCM。材料比例不同,电池的相关电性能也不同。开发流程为NCM111、NCM532、NCM622和NCM811。镍含量越高,电池的比容量越高,价格越便宜,但电池的安全性能越差。

      1.电池的结构如下:

      钴:减少阳离子的混合占据,稳定材料的层状结构,降低阻抗值,提高导电性,改善循环和效率。

      镍:可以提高材料的容量,但由于锂和镍的半径相近,镍过多会因与锂发生位错而导致锂镍混合放电。锂层中镍离子的浓度越高,锂在层状结构中脱嵌越困难,导致电化学性能差。

      锰:既能降低材料成本,又能提高材料的安全性和稳定性。但如果锰含量过高,容易出现尖晶石相,破坏层状结构,降低容量,降低循环。

      二。三元正极材料的电化学机理

      在NCM电极材料中,三种过渡金属的主要化学价态是不同的。Ni以二价为主(主要活性元素),Co以三价为主,Mn以四价为主,还含有少量的3 Ni和4 Mn。

      一般来说,在正常充电过程中,NCM电极材料中过渡金属Ni、Co、Mn的氧化顺序通常为:二价Ni氧化为三价Ni,三价Ni氧化为四价Ni,提供材料的比容量;最后,三价Co被氧化成四价。在整个过程中,四价Mn不参与化学反应,化学价保持不变,提供支持。

      三。三元正极材料的失效机理

      对不同过渡金属元素配比的三元正极材料的研究表明,电极材料的比容量随着镍含量的增加而增加,但当NCM材料的镍含量高于0.6时,电极材料的循环稳定性会显著下降。

      当电池脱锂量较低时,随着NCM电极材料中镍含量的增加,Li  /Ni2的混合放电程度更大,进入镍空位的锂难以脱嵌,占据锂空位的镍会堵塞Li的扩散通道,导致电池首次库仑效率低,长期充放电过程稳定性差。阳离子的混合放电导致锂在NCM电极材料表面析出,增加了材料的表面碱值。在电池充放电过程中会分解,产气导致电池鼓胀胀气,降低安全性。当脱锂量较高时,层状材料会转化为尖晶石结构和含有非活性组分的NiO型岩盐结构,增加晶相的无序性,产生局部微应力,破坏晶粒,在断口处形成钝化膜,失去活性锂,最终导致电极材料与导电剂接触效果不佳。在高脱锂状态下,电极材料中的O2-会进一步氧化形成过氧化物或过氧化,导致电极材料脱氧,与过渡金属形成不稳定的高氧化副产物,导致电极材料表面发生剧烈的氧化反应,降低材料的循环稳定性和电池的寿命。与钴酸锂相比,更便宜,耐压略高,平均放电电压平台略低,克容量略高,但压缩比较低。同类型电池容量略低于钴酸锂电池。与锂铁氧体电池相比,单位功率更高,循环寿命更短,安全性更差。