三元鋰電池壽命及優(yōu)缺點
2020-07-16
什么是三元鋰電池？
在自然界中，鋰是原子質(zhì)量最小的最輕金屬，其原子量為6.94g/mol，ρ=0.53g/cm3。鋰具有化學(xué)活性，容易失去電子并氧化為Li+。因此，標準電極電勢在-3.045V時為最大負值，最小電化學(xué)當量為0.26g/Ah。鋰的這些特性決定了它是特定的高能材料。三元鋰電池是指使用三種鎳鈷錳過渡金屬氧化物作為正極材料的二次鋰電池。它完全結(jié)合了鈷酸鋰循環(huán)的良好性能，鎳酸鋰的高比容量以及錳酸鋰的高安全性和低成本，是通過混合，摻雜，涂覆和表面改性的方法合成鎳的在分子水平上具有多種元素（例如鈷和錳）的復(fù)合鋰插層氧化物。它是已被廣泛研究和應(yīng)用的可再充電鋰離子電池。
三元鋰電池壽命
所謂鋰電池壽命是指在使用一段時間后，電池容量分解為標稱容量的70％（室溫下25°C，標準大氣壓下已放電并已放電的電池容量）。在0.2C時），可以視為使用壽命的終點。在工業(yè)上，循環(huán)壽命通常由鋰電池充滿和放電時的循環(huán)次數(shù)來計算。在使用過程中，鋰電池內(nèi)部將發(fā)生不可逆的電化學(xué)反應(yīng)，這將導(dǎo)致容量降低，例如電解質(zhì)擊穿，活性材料失活，正負電極結(jié)構(gòu)崩潰以及內(nèi)部和外部鋰離子數(shù)量的減少。實驗表明，較高的放電速率將導(dǎo)致容量下降更快，如果放電電流較低，則電池電壓將接近平衡電壓并釋放更多的能量。
三元鋰電池的理論壽命約為800次循環(huán)，這是商用可充電鋰電池中的平均壽命。磷酸鐵鋰持續(xù)約2,000個循環(huán)，而鈦酸鋰達到10,000個循環(huán)。目前，傳統(tǒng)的電池制造商已經(jīng)承諾其三元電池的規(guī)格超過500倍（在標準條件下進行充電和放電），但是在將電池組組裝成電池組之后，由于問題電阻，電阻和內(nèi)部電阻的關(guān)系不能完全相同，其壽命約為400倍。制造商建議SOC使用窗口為10％到90％。不建議進行深度充電和放電，否則將對電池的正負電極結(jié)構(gòu)造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。如果通過表面電荷和表面放電計算，則循環(huán)壽命至少為1,000次。另外，如果鋰電池經(jīng)常在高速和高溫環(huán)境中放電，則電池壽命將顯著縮短至不足200倍。
三元鋰電池的優(yōu)缺點
三元鋰電池在容量和安全性方面相對平衡，并且是具有優(yōu)異的整體性能的電池。這三種金屬元素的主要功能，優(yōu)缺點如下：
Co3+：減少陽離子的混合占用，穩(wěn)定材料的層狀結(jié)構(gòu)，降低電阻值，提高電導(dǎo)率并提高循環(huán)性能和速度。Ni2+：可以增加材料的容量（增加材料體積的能量密度）。由于Li和Ni的半徑相似，過多的Ni也會由于與Li的位錯以及鋰層中鎳離子的濃度而引起鋰鎳的混合放電。鋰越大，在層狀結(jié)構(gòu)中將其去交織就越困難，從而導(dǎo)致不良的電化學(xué)性能。
Mn4+：不僅可以降低材料成本，而且可以提高材料的安全性和穩(wěn)定性。但是，如果Mn的含量過多，則容易出現(xiàn)尖晶石相，破壞層狀結(jié)構(gòu)，因此會降低循環(huán)的容量和衰減。
高能量密度是
三元鋰電池的最大優(yōu)勢，電壓平臺是電池能量密度的重要指標，它決定了電池的基本效率和成本。具有較高電壓平臺的An-time電池和三元材料鋰電池的電池壽命更長。單個三元鋰電池的放電電壓平臺高達3.7V，磷酸鐵鋰為3.2V，鈦酸鋰僅為2.3V。因此，從能量密度的角度來看，三元鋰電池要優(yōu)于磷酸鋰，錳酸鋰或鈦酸鋰具有絕對優(yōu)勢。
安全性差和循環(huán)壽命短是三元鋰電池的主要缺點，特別是安全性能，這已成為限制其大規(guī)模實施和大規(guī)模集成應(yīng)用的重要因素。大量實際測試表明，大容量三元電池難以通過針灸和超負荷等安全測試，這也是大容量三元電池通常引入更多錳甚至使用錳酸鹽的原因。鋰電500倍的生命周期處于鋰電池的中間，因此三元鋰電池最重要的應(yīng)用領(lǐng)域是消費電子產(chǎn)品，例如數(shù)字3C。
