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钴酸锂仍是小型锂电池的佳选择。目前在3C电子电池中,大多数仍使用钴酸锂而并非比容量更高的三元材料,原因是钴酸锂材料的压实密度大于三元材料,即单位体积内能容纳的钴酸锂量更多。在更为重视体积密度的小型电池中,钴酸锂占有着一席之地。
钴酸锂理论容量高,但实际容量却只有理论的一半。原因是在充电过程中锂离子要从钴酸锂材料中脱出,但脱出量小于50%时,材料的形态和晶型可以保持稳定。
随着锂离子脱出量增大至50%时,钴酸锂材料将发生相变,如果此时继续充电,钴将溶解在电解液中并产生氧气,严重影响电池循环稳定性和安全性能,因此一般的钴酸锂充电截止电压为4.2V。
固液界面副反应是锂电池发展不可避免的问题,目前使用的非水有机电解液化学窗口通常低于4.4V当充电截止电压4.4V时,电解液就会在电池表面发生氧化分解,这一过程导致电池容量急剧“跳水”。同时氧化分解的产物也覆盖在电极材料表面增加电池内阻。游离过渡金属元素催化表面副反应产物分界使电极材料维持高位活性状态带来隐患。
Co元素与氧元素具有强相互作用,随充电电压升高,在电荷补偿过程中,Co元素电子不足,促使阴离子O元素参与其中,导致材料骨架结构和稳定性发生变化;同时因为O的参与电解液发生氧化反应,这一过程加剧了材料表面CEI膜的生成,增加电解液的分解。
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三元材料困扰大家的可能还是安全问题,尤其是高镍三元材料。其实从国家新能源政策就可以看得出来,三元电池在公交车和大巴车上的应用受限我们就能感觉到。
这是因为三元电池很难通过国标GBT 31485-2015 《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》中的针刺一项,2017年国家取消了这一项检测,三元电池在乘用车上得到了飞速发展,近两年已经占据了新能源市场半壁江山。
能源这个东西就像一个炸弹,看你怎么控制它而以。控制的好它就可以杀敌报国,控制的不好可能就车毁人亡。
从石油、天然气、核能等历史发展过程就可以看出,这些能源在世界上曾经都出现过不可控的局面。其实任何一种能源安不安全,其实就看我们控制能力,三元电池也一样,现在说三元电池不安全,恰恰说明我们还没有掌握怎么控制好它。
电池安全与否,除了和材料本身有一定关系的话,还与我们使用的环境、电池管理系统、整车控制系统都有直接的关系。
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三元材料本身确实还有很多问题没有解决,这也是为什么三元材料一直被大家认为不安全的原因。单纯对三元电池本身来讲,原材料本身热稳定性差和电池制作工艺两方面,应该是三元电池不安全的两个主要因素。
三元材料,是一种层状化合物,脱锂后的热稳定性不够理想,容易引起失氧和相变。而且在200℃左右材料就会分解,发生热失控。如何提高三元材料的安全性,简单说几点比较重要的:从三元材料本身来讲,进行陶瓷氧化铝的包覆,控制Ni的含量在合理的范围,其次在和电池体系中其他材料的配合上也要下功夫研究,例如电解液添加剂的匹配,陶瓷隔离膜的选择等
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