锂电池知识

不同的锂电池

其他锂阴极化学变体


已经开发出许多基本的锂离子电池化学变体。锂钴和锂锰是首批以商业形式生产的产品,但是由于其安全性能得到提高,锂铁磷酸盐正在接管大功率应用。其余的要么处于开发的各个阶段,要么正在等待投资决策以开始批量生产。




掺杂过渡金属会改变活性材料的性质,并使电池的内部阻抗降低。


电池的工作性能也可以通过改变过渡金属的身份来“调整”。这允许调节这些活性材料的电压以及比容量。电池电压范围为2.1至5伏。




虽然基本技术是众所周知的,但是缺乏操作经验,因此缺乏一些较新的开发的系统设计数据,这也阻碍了它们的采用。同时,这些具有不同化学性质的专利往往由进行竞争性发展的竞争对手的公司持有,而没有行业标准化或采用通用产品的迹象。 (有关锂钴技术的原始专利现已到期,这可能是其受欢迎程度的一种解释)。




锂钴钴酸锂


钴酸锂是一种成熟的,成熟的,行业标准的电池技术,具有长循环寿命和很高的能量密度。聚合物设计使电池在本质上比在恶劣条件下会泄漏酸性电解液的“罐装”建筑电池更安全。电池电压通常为3.7伏。使用这种化学方法的电池可从许多制造商处获得。


不幸的是,钴的使用与环境和毒性危害有关。




锂锰LiMn2O4


锂锰电池在3.8至4伏特时提供比钴基化学药品更高的电池电压,但能量密度低约20%。它还为锂离子化学提供了其他好处,包括更低的成本和更高的温度性能。这种化学物质比钴酸锂技术更稳定,因此本质上更安全,但要权衡的是较低的潜在能量密度。锂锰电池也很普及,但还不如锂钴电池常见。


锰与钴不同,是一种安全且对环境无害的正极材料。


锰也比钴便宜得多,并且含量更高。




锂镍LiNiO2


锂镍基电池的能量密度比钴高30%,但电池电压低至3.6伏。它们还具有最高的放热反应,这可能在高功率应用中引起冷却问题。因此,通常无法获得使用这种化学方法的细胞。




锂(NCM)镍钴锰-Li(NiCoMn)O2


结合了滑爽性的三元素电池提高了安全性(优于氧化钴),成本更低,且不影响能量密度,但电压略低。不同的制造商可能会使用三种成分的不同比例,在这种情况下为Ni,Co和Mn。




锂(NCA)镍钴铝-Li(NiCoAl)O2


如上所述,另一种三元素化学结合了提高的安全性(比氧化钴更好)和较低的成本,同时又不损害能量密度,但电压稍低。




磷酸铁锂LiFePO4


与其他阴极材料制成的锂离子技术相比,基于磷酸盐的技术具有卓越的热稳定性和化学稳定性,可提供更好的安全性。磷酸锂电池在充电或放电过程中如果处理不当,将不可燃,它们在过充或短路条件下会更稳定,并且可以承受高温而不会分解。当确实发生滥用时,磷酸盐基正极材料将不会燃烧并且不容易发生热失控。磷酸盐化学作用还可以延长循环寿命。


最近的发展已经产生了用于锂离子应用的一系列基于锂化的过渡金属磷酸盐的新型环保阴极活性材料。




磷酸盐大大减少了钴化学的缺点,特别是成本,安全性和环境特性。折衷方案是能量密度降低了14%,但人们正在探索更高能量的变量。


由于磷酸盐优于当前的锂离子钴电池的安全特性,因此可以使用更大的电池设计电池,并可能减少对附加安全装置的依赖。


磷酸锂铁化学技术的使用是专利争议的主题,一些制造商正在研究其他化学变异体,主要是为了规避有关LiFePO4化学的专利。

锂硫Li2S8

锂硫是一种高能量密度的化学物质,大大高于锂离子金属氧化物的化学物质。这种化学方法是由多家公司共同开发的,但尚未在市场上销售。一个主要问题是找到合适的电解质,该电解质不会遭受困扰当前设计的众多不希望有的副反应。

锂硫电池可以承受过电压,但当前版本的循环寿命有限。电池电压为2.1伏

另请参阅“新电池设计和化学”页面上的电极溶解。


替代阳极化学(LTO)

大多数基于锂的二次电池的阳极均基于某种形式的碳(石墨或焦炭)。最近,钛酸锂尖晶石(Li4Ti5O12)被引入用作阳极材料,以提供高功率的热稳定电池,并改善循环寿命。

具有以下优点

不依赖SEI层来保持稳定性

离子流不受限制,因此可以实现更高的充放电速率以及更好的低温性能。

降低电池的内部阻抗

可以承受更高的温度。

随着时间的推移不会积累SEI,这意味着可能有很长的循环寿命(10,000个深循环)

公共领域技术(无专利纠纷)

缺点是

较低的阳极反应性意味着与尖晶石阴极一起使用时,电池电压降至2.25伏。 (可能使用其他阴极化学物质)

能量密度降低25%到30%,从而使电池更大


锂空气电池

锂空气电池最初被认为是原电池(请参阅锂小电池),可提供非常高的能量密度。可充电版本目前正在开发中,其能量密度有望达到当前锂电池的10倍,接近汽油/汽油的能量密度。

阳极是锂,阴极不是空气,实际上是空气中的气态氧气。因为电池在常规意义上不具有固体阴极,所以它消除了阴极的重量和体积以及其机械支撑结构。

这将使得能够以与当前技术相同的范围制造非常小的电池,或者可替代地,可以从具有与当今可用的相同物理尺寸的电池获得数百英里的电驱动范围。

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