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现今的锂离子电池

2018-11-02   点击量:435

目前锂离子电池的市场远比3C市场的原有小型电子设备复杂得多。许多其他市场已经开放用于小型设备,如玩具,照明(LCD和荧光灯),电子烟和蒸发器,医疗设备等等。发现使用18650,26700和26650尺寸的锂离子电池组可以设计为以比原先怀疑便携式电动工具,园艺工具,电动自行车和许多其他产品开放市场更高的功率运行。虽然高能量18650电池现在具有高达3.4Ah的电流,但是高功率电池牺牲了一些容量以在18650电池尺寸中获得20A或更高的连续放电能力。虽然一些电池要求高达2.5Ah的容量,但是在循环期间难以维持如此高的容量。Reimers26和Spotnitz及其同事的模拟研究清楚地显示多个标签和标签放置的重要影响。其他重要的设计变量是电极厚度,正电极的碳含量,电极的孔隙率和负电极中使用的碳的类型。


此外,陶瓷涂层向隔板或正极的开发对于防止由于在电极表面上偶然存在金属颗粒而在循环期间的内部短路具有有益效果。这些颗粒很小并且通常是空气传播的并且通常由电极的机械切割产生。隔板的厚度仅为12至25μm,因此非常小的导电颗粒可以穿透隔板并造成短路的概念已被公认为锂离子电池的主要失效机理。这种隔板涂层可以在聚烯烃隔板的一侧或两侧上,并且可以薄至2μm厚。甚至更复杂的涂料越来越普遍,例如,由松下和特斯拉汽车中使用的分离器住友涉及与陶瓷颗粒的涂层,以及芳族聚酰胺(芳族聚酰胺聚合物),以增加涂层的渗透强度。


虽然很难得到电池行业的确认,但很明显现在少量的硅被添加到石墨基负极中。锂硅合金阳极的极高比容量(超过3000mAh/g与石墨的最大值372mAh/g相比)意味着即使少量硅掺入石墨颗粒也会对比容量产生显着影响。负电极。已经研究过许多方法,在石墨颗粒表面包含少量的硅微米或纳米颗粒,每个石墨供应商都使用他们自己的专有工艺。例如,现在通常可获得400至500mAh/g的材料,毫无疑问,它们用于优质锂离子电池,在18650电池中提供超过3Ah的容量。这些电池具有高循环寿命和高容量,并且仅比传统石墨电池略贵。


目前常用的阴极材料包括原始LiCoO2(缩写为LCO)和LiMn2O4(缩写为LMO)。优异且仍在开发的材料是LiNixMnyCo1-xyO2(除了过渡金属层中的一些有序之外,在原始的Goodenough专利5中通常称为NMC和相同的R3-m结构)。下标通常通过它们的原子比称为532,442或811(除了最初调查的x=y=1/3,称为333或111)。最常用的材料是111和532.此外,竞争激烈的材料是LiNi0.80Co0.15Al0.05(NCA),也是层状R3-m结构。最近由几个集团开发的材料是具有1D隧道结构的LiFePO4(LFP)。这些材料中的每一种都具有某些优点和缺点,并且已经应用于不同的应用。表I总结了目前的关键属性,优缺点和主要应用。


2015年初电池行业的快照可以从Pillot的工作中获得,现在可在互联网上获得。Pillot以提供当前生产的准确数据以及为未来生产推断出值的保守方法而闻名。参考Pillot22表明LCO的电池使用量仍然是45千吨(KT)材料中最大的,但肯定是平稳的。NMC的使用接下来是35KT并且正在增长,LMO接下来是18KT并且有所增长,10KT的LFP似乎趋于平稳,并且约9KT的NCA正在强劲增长。费用和供应问题限制了LCO的上行潜力,并且仍然存在安全事故,特别是对于体积较小的电池生产商而言。两种较新的应用,电子烟和所谓的悬浮板(2轮自平衡板)已经报告了许多安全事故,其中锂离子电池已经引发火花和火焰,造成伤害和财产损失。一个美国自那以后,各种媒体报道了更多。科技资讯网报道,由于60多起火灾,美国消费品安全委员会召回了超过501,000个悬浮滑板。为了尽可能快地防止这种情况发生强烈反应,肯定符合电池行业的利益。对此类事故的部分调查应该是识别电池的组件,特别是阴极,隔板和电解质。NMC的快速增长部分归因于材料在高能量和高功率应用中的灵活性。因此,许多最初具有LMO作为阴极材料的电动工具电池现在具有NMC。此外,消费电子应用经常使用NMC,因为它比NCA更容易制造,并且使用这种材料(圆柱形、袋形和矩形电池)可能具有各种电池几何形状。列举的劣势是专利问题。这是一个复杂的法律问题,但两个专利持有人,巴斯夫-阿贡国家实验室和3M在美国的竞争专利涉及过量锂和锰的类似材料,这些都给美国销售的电池带来了困难。NCA被少数主要生产商如SAFT和松下用于制造高能量,在某些情况下还用于高功率电池。这些通常是优质电池,因此成本最高。LFP具有较低的能量密度,因为它具有较低的电压和较低的振实密度,但由于其良好的功率和良好的热稳定性,已被用于更加坚固的应用,如电动自行车,效果良好。


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