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三元锂 电池寿命及优缺点

什么是三元锂电池?

 在自然界中,锂元素是最轻的,原子质量最小的金属,它的原子量为6.94g/mol,ρ=0.53g/cm3。锂化学性质活泼,极易失 去电子被氧化为Li+,因此标 准电极电位最负,为-3.045V,电化学当量最小,为0.26g/Ah,锂元素 的这些特点决定了它是一种具有很高比能量的材料。三元锂电池是指采 用镍钴锰三种过渡金属氧化物为正极材料的锂二次电池。它充分 综合了钴酸锂良好的循环性能、镍酸锂 的高比容量和锰酸锂的高安全性及低成本等特点,利用分子水平混合、掺杂、包覆和 表面修饰等方法合成镍钴锰等多元素协同的复合嵌锂氧化物。是目前 被广泛研究和应用的一种锂离子可充电电池。

 

三元锂电池寿命

 所谓锂 电池寿命是指电池在使用过一段时间后,容量衰减为标称容量(室温25℃,标准大气压,且以0.2C放电的电池容量)的70%,即可认为寿命终止。行业内 一般以锂电池满充满放的循环次数来计算循环寿命。在使用的过程中,锂电池 内部会发生不可逆的电化学反应导致容量下降,比如电解液的分解,活性材料的失活,正负极 结构的坍塌导致锂离子嵌入和脱嵌的数量减少等等。实验标明,更高倍 率的放电会导致容量更快的衰减,如果放电电流较低,电池电 压会接近平衡电压,能释放出更多的能量。

 

三元锂 电池的理论寿命约为800次循环,在商业 化的可充电锂电池中属于中等。磷酸铁锂约为2000次,而钛酸 锂据说可以达到1万次循环。目前主 流的电池厂家在其生产的三元电芯规格书中承诺大于500次(标准条件下充放电),但是电 芯在配组做成电池包后,由于一致性问题,主要是 电压和内阻不可能完全一样,其循环寿命大约为400次。厂家推荐SOC使用窗口为10%~90%,不建议 进行深度充放电,不然会 对电池的正负极结构造成不可逆的损伤,若是以 浅充浅放来计算的话,循环寿命至少有1000次。另外,锂电池 若是经常在高倍率和高温环境下放电,电池寿 命会大幅下降到不足200次。

 

三元锂电池优缺点

 

三元锂 电池在容量与安全性方面比较均衡,是一款 综合性能优异的电池。三种金 属元素的主要作用和优缺点如下:

 

Co3+:减少阳离子混合占位,稳定材料的层状结构,降低阻抗值,提高电导率,提高循环和倍率性能。

 

Ni2+:可提高材料的容量(提高材 料的体积能量密度),而由于Li和Ni相似的半径,过多的Ni也会因为与Li发生位 错现象导致锂镍混排,锂层中 镍离子浓度越大,锂在层 状结构中的脱嵌越难,导致电化学性能变差。

 

Mn4+:不仅可 以降低材料成本,而且还 可以提高材料的安全性和稳定性。但过高的Mn含量会 容易出现尖晶石相而破坏层状结构,使容量降低,循环衰减。

 

能量密 度高是三元锂电池的最大优势,而电压 平台是电池能量密度的重要指标,决定着 电池的基本效能和成本,电压平台越高,比容量越大,所以同样体积、重量,甚至同样安时的电池,电压平 台比较高的三元材料锂电池续航时间更长。单体三 元锂电池放电电压平台高达3.7V,磷酸铁锂为3.2V,而钛酸锂仅为2.3V,因此从 能量密度角度来说,三元锂 电池比磷酸铁锂,锰酸锂 或者钛酸锂具有绝对优势。

 

安全性 较差和循环寿命较短是三元锂电池的主要短板,尤其是安全性能,是一直 限制其大规模配组,和大规 模集成应用的一个主要因素。大量实测表明,容量较大的三元电池很难通 过针刺和过充等安全性测试,这也是 大容量电池中一般都要多引入锰元素,甚至混 合锰酸锂一起使用的原因。500次的循 环寿命在锂电池中属于中等偏下,因此三 元锂电池目前最主要的应用领域是3C数码等 消费类电子产品。


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