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当前市场主流锂离子电池优劣势分析
2012-09-24 15:28:07

当前市场主流锂离子电池优劣势分析

          钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元素和钛酸锂

或许多数电池用户会误认为市场只有一种锂离子电池,但想想,就连苹果树都有品种之分,而我们的锂电池也不例外,主要差别在于电池正极材料上。同时,市场不断出现的创新型正极材料正逐步改进和取代传统碳负极(石墨)。

科学家更倾向于用化学名称和惯用的材料名称命名电池,除非你是一名化学家,否则这将是一项繁琐的事。表1列出了几种电池的全名、化学名称、缩写以及简写(本文尽可能使用电池简写论述),表中列出了目前市场上主体的锂离子电池,对比讲包括市场上受众面相对少、高端的NCA和钛酸锂电池。 

 

化学名

材料

缩写

简写

                  备注

钴酸锂

LiCoO2
(60% Co)

LCO

Li-cobalt
 

容量大; 应用于手机、手提电脑、相机等

锰酸锂

LiMn2O4

LMO

Li-manganese, or spinel
 

高安全性; 相比钴酸锂容量较小,倍率性能和循环寿命更好

应用于电动自行电动汽车等动力系统和医院、生活类储能方面
 

磷酸铁锂

LiFePO4

LFP

Li-phosphate

三元材料

LiNiMnCoO2
(10–20% Co)

NMC

NMC
 

聚合物锂电

LiNiCoAlO2
9% Co)

NCA

NCA

应用于高效电力输送和电网储能以及电动汽车等

钛酸锂2

Li4Ti5O12

LTO

Li-titanate

 

为了更多地了解六种惯用锂离子电池的独特性和局限性,我们使用蜘蛛图解析并观察整体性能。首先我们分析钴酸锂-一种为高端客户通常使用的锂电产品;然后是锰酸锂和磷酸铁锂,这两种较多应用在电动工具;最后分析的是新型材料如三元素、聚合物锂电以及高端的钛酸锂锂离子电池。

钴酸锂(LiCoO2)

高能量比特性使得钴酸锂成为应用于手机、手提电脑和相机锂电池普遍选择。钴酸锂锂电池是由钴氧化物正极材料和碳负极材料组成,碳负极具有层状结构,在放电过程中锂离子从正极移动到负极,而充电时锂离子运动方向正好相反。钴酸锂的缺点在于循环寿命相对较短且功率比低、负载能力有限。图2给出了层状结构图。

 

      图2:钴酸锂结构

负极材料层状结构使得电池在放电过程中锂离子从正极移动到负极;充电时,锂离子从负极移动到正极。

钴酸锂在大倍率充放电性能上较弱,例如2400mAh的18650电芯只能用2400mAh电流进行充放电。如果超过24010mAh进行快充或加大负载情况会导致电池过热和过压。谈及最佳快充定义时,厂家给出了0.8C倍率充电或者电流在1920mAh.电路保护系统把充放电倍率强制控制在1C的安全水平。

图3 总结了钴酸锂在能量比(功率)性能、容量或高倍率放电性能、安全性能、高低温性能、循环寿命以及成本几点主要方面的性能。这幅蜘蛛图简单清晰地分析了电池各性能的特点和优劣势。

 

图3: 钴酸锂电池平均快照

钴酸锂有着较高的能量比特性,但在电池功率比、安全性和循环寿命上性能一般。

锰酸锂(LiMn2O4)

1983年,材料研究所首次公布了尖晶石型的锰酸锂材料。1996年,摩力能源讲锰酸锂正极材料商业运作。该体系形成一个三维的尖晶石结构,提高了在电极上的离子流,从而降低了内部电阻同时提高了电流保持性能。尖晶石型结构更大的一个优点是热稳定性和安全性能,但循环寿命是有限的。

最大限度地降低电芯内阻是增加快充和大倍率放电的关键点。在一组18650电池模块中,锰酸锂可在20-30A电流放电伴有适度热量积累,它也可用于50A时一道两次的负载脉冲,长时间在这一大电流过载负荷下会导致电芯过热,电池的工作温度需控制在80℃内。锰酸锂通常应用于电动工具、医疗器械、混合动力汽车和纯电动汽车领域。

图4 展示了锰酸锂材料的尖晶石三维框架,这种尖晶石型的结构形成了一个类似棱形的分析图。

 

图4:锰酸锂结构

锰酸锂正极材料形成的三维框架的尖晶石结构降低了电池内阻,同时提高了电池能量比特性。

虽然锰酸锂在容量上只有钴酸锂的三分之一左右,但是相比于镍氢电池容量要高出50%。工程师灵活的设计最大化地延长了电池的循环寿命、负载电流(功率比)和容量比。例如,长寿命的18650电芯通常为1100mAh,高容量的1500mAh的电芯会减少电池使用寿命。笔记本制造商可能会选择高容量的,然而电动汽车等电动工具厂商更亲睐高功率、长循环寿命的电池。

图5显示了一个典型的锂锰电池的蜘蛛网。在此图表中,所有的特点是微不足道的,然而,新的设计在特定的功率,安全性和寿命方面有所改善。
 

 

图5: 典型的锰酸锂蜘蛛图分析

尽管整体性能不错,但新型锰酸锂在动率比性能、安全性能和循环寿命上有所提高。

磷酸铁锂(LiFePO4)

1996年,德克萨斯大学(和其他研究者)发现了磷酸盐作为可充电锂离子电池的正极材料。磷酸铁锂具有良好的电化学性能,电阻较低,这使得纳米磷酸铁锂材料应用成为可能。磷酸铁锂的关键优势是高安全性、良好的热稳定性、奶滥用、额定电流高、循环寿命长,且喝点保持能力较好。贸易环境中,低电压的3.3V单体电芯能量比略小于锰酸锂。此外,在低温环境和高温存储性能上要优于铅酸、镍镉和镍氢电池。同时,磷酸铁锂较高的自放电率是限制使用寿命一大因素。图6总结了磷酸铁锂的属性。

 

 图6: 典型的磷酸铁锂蜘蛛图分析

磷酸铁锂具有较高的安全性和较长的循环寿命,但较低容量比和较高的自放电率是其劣势。

三元材料(LiNiMnCoO2)

领先的电池制造商专注于镍- 锰- 钴(NMC)的正极组合。类似于锰酸锂,这些系统也可以制作成高能量比或高功率比,但不能同时使用。例如,在18650单体电芯中,供消费者使用的NMC可以调整至2250mAh,但功率比需适中。 在同一个电芯中,高功率比的NMC容量只有1500mAh,而以硅为基本材料的电池可以做到4000mAh,但是,电池功率比和循环寿命可能会受到影响

三元材料的秘密在于相结合的镍和锰,举个例子,其中食盐的主要成分为钠和氯,它们本身是有毒物质,但它们混合品成了调味盐和食品保护者。众所周知,镍元素能量比高,但稳定性地;锰元素具有形成尖晶石结构的好处,以实现非常低的内部电阻,但提供了一个低的特定能量。三元素材料正是发挥了三种元素各自的优势。

三元材料在一定程度上市电动工具盒电动汽车动力系统的首选,三分之一的镍、三分之一的钴和三分之一的锰组合提供了一个独特的融合,也降低了原材料成本,由于钴的含量减少,适当平衡的开发制造商保持一个良好的保密措施是非常重要的。图7表明的三元材料的特性。

 

图7:三元材料的蜘蛛图分析

三元材料有着很好的综合性能,特别是能量比较高,非常适用于电动交通工具,有着非常低的自加热率。

聚合物锂电(LiNiCoAlO2)

聚合物锂电一直是不常用的,但在高能量比和功率密度以及长寿命新能的汽车行业消费市场得到了越来越多的关注。图8展示了进一步发展的关键点领域。

 

图8: 聚合物锂电蜘蛛图分析

高能量比和高功率比使得聚合物电池成为电动汽车的动力系统首选,但成本高和安全性不高是其劣势。

钛酸锂(Li4Ti5O12)

自20世纪80年代以来,以钛酸锂为负极的锂电池已经出现。尖晶石型结构的钛酸锂负极材料逐步替代了主流的碳负极材料,钛酸锂单体电池标称电压为2.40V,可以进行快充快放和10C电流大倍率放电或额定容量的10倍。两万次以上的循环寿命要远远优于同类其他材料锂电池,具有优异的低温放电特性和高安全性,    在-30℃下(-22°F)容量仍可保持80%以上。在电池65Wh/kg时,比能量较低。钛酸锂单体电池充电截止电压2.80V,放电截止电压1.80V。图9展示了钛酸锂电池的特性。

 

图9: 钛酸锂蜘蛛图分析

钛酸锂最主要的优势在于安全、环保和长寿命,同时又较好的高低温性能和核电保护能力。广泛应用于电动交通工具和储能领域。

图10通过以上详细的分析,不难理解,虽然锂钴在容量储存方面要优于其他材料,且在特殊的电源负载特性和热稳定性方面,均优于锰酸锂和磷酸铁锂,但应用面不是很广,仅针对特定的能源。随着我们逐步迈向电动动力系统,电池安全性和循环寿命将变得更加重要。所以,未来的市场将是纳米钛酸锂动力锂离子电池广场应用和发展的舞台,钛酸锂长循环寿命将是动力和储能锂电池的最佳材料。


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