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【卫途出品】电池类型及型号怎么选? -- 第二篇 充电锂电池
来源: | 作者:weltool | 发布时间: 2018-09-03 | 6664 次浏览 | 分享到:

   第一篇关于一次性电池已经简单描述过由于铅酸及镍氢、镍铬充电电池已经很普及,不再做介绍,主要介绍锂离子电池部分,尤其是其化学性质方面。锂离子电池Lithium-ion battery)是充电电池,“锂聚合物电池”(Lithium-ion polymer batteries):也是锂离子电池,但是它做为一种普通锂离子电池的改进品,利用胶态或固态聚合物取代液态有机溶剂的可充电锂离子电池,其安全性较好不会爆炸,且可以塑造各种不同形状的电芯,成为了现在的主流形式电池。而锂电池(Lithium battery):虽然常常被用作为锂离子电池的简称,但严格意义的锂电池是锂原电池,内含纯态的锂金属,为一次性使用、不可充电。圆柱形锂离子电池不单是在电动汽车领域,同时也是移动照明产品的主要电源类型,目前比较多的是钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等几种,因此我们只说圆柱形锂离子电池。

 

       钴酸锂(LiCoO2LCO

    优点是比能量高,锂钴的缺点是寿命相对较短,热稳定性低和负载能力(比功率)有限。锂钴不应以高于其C级的电流进行充电和放电。这意味着具有2,400mAh18650电池只能以2,400mA充电和放电。强制快速充电或施加高于2400mA的负载会导致过热和不适当的压力。为获得最佳快速充电,制造商建议C倍率为0.8C或约2,000mA。强制电池保护电路将能量单元的充电和放电速率限制在约1C的安全水平。钴的高成本也导致钴酸锂电池逐渐被市场抛弃。

 

       锰酸锂(LiMn2O4LMO

 

    可改善电极上的离子流动,从而降低内部电阻并改善电流处理。尖晶石的另一个优点是热稳定性高,安全性高,但循环和日历寿命有限。低电阻可实现快速充电和高电流放电。在18650封装中,锂锰可以在20-30A的电流下放电并具有适度的热量累积。也可以施加高达50A1秒负载脉冲。在此电流下持续的高负载会导致热量积聚,电池温度不能超过80°C176°F)。锂锰用于电动工具,医疗器械,以及混合动力和电动汽车。锂锰的容量大约比锂钴低三分之一。设计灵活性使工程师能够最大限度地延长电池的使用寿命(寿命),最大负载电流(比功率)或高容量(比能)。例如,18650电池的长寿命版本只有1,100mAh的适中容量; 高容量版本是1,500mAhLMO电压平台高,大约3.75~3.8V

 

         磷酸铁锂(LiFePO4LFP

 

    优点是高额定电流和长循环寿命,除了良好的热稳定性,增强了安全性和容忍度,如果滥用的情况下。磷酸锂具有比其他锂离子电池更高的自放电,如果长时间保持在高电压下,磷酸锂对整个充电条件的耐受性更强,并且比其他锂离子系统的应力更小。但是3.2V 的电池标称电压将比能量降低,低温也会降低锂离子的性能,这可能会影响到极端情况下的起动能力。

 

        镍钴锰酸锂(三元)(LiNiMnCoO2 NCM

 

    由于钴的高成本,电池制造商从钴系转向镍阴极。镍基系统比钴基电池具有更高的能量密度,更低的成本和更长的循环寿命,但是它们的电压略低。阴极组合通常是三分之一镍,三分之一锰和三分之一钴,故称NCM333,也被称为1-1-1。另一个成功的组合是NCM532,其中含有5份镍,3份钴和2份锰(5-3-2)。由于钴含量降低,也降低了原材料成本。使用不同量的阴极材料的其他组合目前是趋势,比如6-2-2,8-1-1高镍三元。与锂锰类似,这些系统可以定制用作能量电池或功率电池。例如,中等负载条件下的18650电池中的NCM具有约2,800mAh的容量并且可以提供4A5A放电; NCM在针对特定功率进行优化的同一电池中,容量仅为2,000mAh,但可提供20A的连续放电电流。如果采用硅基阳极将达到4000mAh以上,但负载能力降低,循环寿命缩短。添加到石墨中的硅具有缺陷,即阳极随着充电和放电而生长和收缩,使得电池机械不稳定。

 

         锂镍钴铝氧化物(LiNiCoAlO2NCA

 

    锂镍钴铝氧化物电池自1999年以来一直用于特殊应用。它通过提供高比能量,有着相当好的比功率和长使用寿命,与NCM有相似之处。不太讨人喜欢的是安全性和成本。NCA是锂镍氧化物的进一步发展,加入铝提高了化学性质的稳定性。三洋使用了镍锰钴三元材料Li(Ni-Mg-Co) O2和钴酸锂的混合物作为正极,由于这一改变,电池的充电电压从4.2V增加到了4.35V

 

         钛酸锂(Li4Ti5O12LTO

 

    锂钛酸锂的标称电池电压为2.40V,可以快速充电,并提供10C的高放电电流或10倍的额定容量。据说循环次数高于常规锂离子电池的循环次数。钛酸锂是安全的,具有出色的低温放电特性,在-30°C-22°F)时可获得80%的容量。高温下的热稳定性也比其他锂离子体系好;然而,电池价格昂贵。能量密度只有65Wh / kg,比能量低,与NiCd相当。钛酸锂充电至2.80V ,放电结束时为1.80V .



    根据《中国制造2025》动力电池的发展规划2020年,电池能量密度达到300Wh/kg2025年,电池能量密度达到400Wh/kg2030年,电池能量密度达到500Wh/kg。这里提到的电池能量密度是指单个电芯级别的能量密度,那么,什么是能量密度?

    能量密度(Energydensity)是指在单位一定的空间或质量物质中储存能量的大小。电池的能量密度也就是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。电池的能量密度一般分重量能量密度和体积能量密度两个维度电池的能量密度越大,单位体积、或重量内存储的电量越多。


电池重量能量密度=电池容量×放电平台/重量,基本单位为Wh/kg(瓦时/千克)

 

电池体积能量密度=电池容量×放电平台/体积,基本单位为Wh/L(瓦时/)


    一般而言,锂电池的四个部分非常关键:正极,负极,电解质,膈膜。正负极是发生化学反应的地方,所以正负极是锂电池最重要的部分。

目前的锂离子电池负极材料多以石墨为主,石墨的理论克容量372mAh/g。在改进负极材料的进程中,硅碳负极技术大大超越了石墨的克容量,硅基负极材料的比容量可以达到4200mAh/g,远高于石墨负极理论比容量的372mAh/g,用硅碳复合材料来提升电池能量密度的方式,已是业界公认的锂离子电池负极材料发展方向之一。

    因为正极克容量低于负极,所以现有的锂离子电池的能量密度下限取决于正极材料。我们知道钴酸锂的钴含量比重大成本高,不能高倍率充放电。锰酸锂容量太低,所以磷酸铁锂及三元材料的镍钴锰成为重点。正极材料磷酸铁锂理论克容量只有160mAh/g,而三元材料镍钴锰(NCM)约为200mAh/g。磷酸铁锂的电压平台是3.2V,三元则是3.7V,能量密度大小显而易见,因此三元材料已经成为最流行的锂电池发展趋势。

    三元材料是层状镍钴锰酸复合材料,按照镍钴锰的比例,三元可以分为333111)、523622811等。由于镍主要作用为提升能量密度,因此提高镍的比例会增加电池容量。这种高镍三元材料(622811)的电池成为当前研发重点。高镍三元材料有两种路线,分别是NCM(镍钴锰)NCA(镍钴铝)。镍的主要作用是提供容量,其含量越高,电池的能量密度越大;钴元素在贡献一部分容量的同时主要起到稳定结构的作用;锰/铝主要用来稳定三元体系结构。

    高镍材料有两个难题,不仅碱度高,氧化性也是难题。高镍三元电池只能用于圆柱电池,到目前为止,世界上没有任何一家电池企业能够把80%含量的高镍材料装进方形电池中,因为高镍电池的负极采用硅合金,将硅合金装进方形电池中比高镍化还难。目前,大多数企业的三元电池是523或者622,相比NCM811金属钴的用量都要多一倍。在高镍三元动力电池领域,松下几乎是一家独秀。韩国电池企业LG化学、SK创新、三星SDI都小规模应用了高镍电池,而松下应用在特斯拉Model3上的圆柱型电池,通过改良高镍正极材料和硅碳负极材料的应用,使电池能量密度实现20%的提升,在国际普遍导入622811三元体系的时候,国内动力电池企业很多还停留在523的阶段。高镍电池在组装时需要纯氧氛围,而国内的电池厂多数不具备这一条件。如果量产811三元电池,大部分的厂房和设备需要重新改造并投入巨大。

    政府发布的动力电池的发展规划中,明确到2020年,动力电池单体能量密度达到300Wh/kg以上,力争实现350Wh/kg。以现有的技术条件,磷酸铁锂和622以下的正极材料的三元电池是很难达到上述要求。如果要达到300wh/kg以上的能量密度,高镍811三元电池几乎就是唯一的选择。

    故而,自2017年下半年以来,国内动力电池企业在高镍811的布局明显提速。包括比克动力、力神电池、鹏辉能源、亿纬锂能、远东福斯特在内的诸多动力电池厂家都宣称基本已经完成从产品技术突破到小批量生产再到客户送样认证测试的过程。比克宣传其811电池已经开始运用到几个汽车品牌,比亚迪和宁德时代也表示计划马上推出811高镍电池。



    需要注意的是,高镍三元电池虽然可以提高电池能量密度,但同时会降低电池的安全性和使用寿命。

    根据国际电工委员会IEC61960标准,锂电池芯的标识如下: 

    1)电池标识组成:3个字母,后跟5个数字(圆柱形)或6个(方形)数字。 

    2)第一个字母:表示电池的负极材料。I—表示有内置电池的锂离子;L—表示锂金属电极或锂合金电极。 

    3)第二个字母:表示电池的正极材料。C—基于钴的电极;N—基于镍的电极;M—基于锰的电极;V—基于钒的电极。 

    4)第三个字母:表示电池的形状。R—表示圆柱形电池;L—表示方形电池。 

    5)数字:  
    
圆柱形电池5个数字分别表示电池的直径和高度。直径的单位为毫米,高度的单位为十分之一毫米。直径或高度任一尺寸大于或等于100mm时,两个尺寸之间应加一条斜线。   

    方型电池6个数字分别表示电池的厚度、宽度和高度,单位毫米。三个尺寸任一个大于或等于100mm时,尺寸之间应加斜线;三个尺寸中若有任一小于1mm,则在此尺寸前加字母“t”,此尺寸单位为十分之一毫米。




    以18650电池为例,电池直径是18mm,高度是65mm,所以叫做18650。同理,14500,16340,16650,18500,21700、26650也是如此。命名是根据以上标准,比如:镍钴锰镍钴铝(NCMNCA18650电池是 INR18650,磷酸铁锂(LFP):IFR18650 锰酸锂(LMO):IMR18650, 钴酸锂(LCO):ICR18650,而市面上所谓“RCR123A”电池的描述就成为笑柄了。

  *锂离子电池注意事项