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时间:2018-08-13 21:59来源:未知 作者:秒速赛车 点击:
4)氧化还原反应的电位要低,与正极材料配合,使电池具有较高的输出电压; 当前,锂离子电池的能量密度、充放电倍率、安全性等一些关键指标,主要受制于正极材料。 近日,上市公

  4)氧化还原反应的电位要低,与正极材料配合,使电池具有较高的输出电压;

  当前,锂离子电池的能量密度、充放电倍率、安全性等一些关键指标,主要受制于正极材料。

  近日,上市公司半年报陆续出炉,新能源汽车产业链中的部分企业业绩出炉,多数企业业绩比上年同期增长明显。...[详细]

  磷酸铁锂材料在中国热过一阵子,一方面受美国科研机构和企业在技术方面的带动,另一方面受比亚迪在国内的产业化推动,前几年国内的锂离子电池企业在动力电池领域基本都以磷酸铁锂材料为主。但是随着全球各国对锂离子电池能量密度的要求越来越高,而磷酸铁锂的比容量理论极限是170mAh/g,而实际上只能达到120mAh/g左右,已经无法满足当前和未来的市场需求。此外,磷酸铁锂的倍率性能一般,低温特性差等缺点,也限制了磷酸铁锂的应用。最近比亚迪搞出了一个改性磷酸铁锂材料,把能量密度提升了不少,还未透露具体的技术细节,不知道掺杂了什么材料在里面。就产品应用领域而言,电力储能市场应该是磷酸铁锂离子电池的一个重要市场,相对而言,这个市场对能量密度不是特别敏感,而对长寿命,低成本,高安全性电池的迫切需求,正是磷酸铁锂材料的优势所在。

  锂离子电池负极材料的种类繁多,根据化学组成可以分为金属类负极材料(包括合金)、无机非金属类负极材料及金属氧化物类负极材料。

  2)锂元素含量高,材料堆积密度高,使得锂离子电池具有较高的能量密度;

  5)化学稳定性和热稳定性要好,不易分解和发热,使得锂离子电池具有良好的安全性;

  接下来的内容,我们将就锂离子电池与能量相关的两个关键指标:能量密度和充放电倍率,展开一些简短的论述。

  就未来的发展趋势而言,如果能有效解决循环性能,硅基材料将可能取代碳材料成为下一代锂离子电池的主要负极材料。锡合金,硅合金等合金类的负极材料,也是一个非常热门的方向,将走向产业化。此外,安全性和能量密度较高的铁氧化物,有可能取代钛酸锂(LTO),在一些长寿命和安全性要求较高的领域,得到广泛应用。

  镍钴铝三元材料,严格来说,其实算是一种改性的镍酸锂(LiNiO2)材料,在其中掺杂了一定比例的钴和铝元素(占比较少)。商业化应用方面主要是日本的松下公司在做,其他锂离子电池公司基本没有研究这个材料。之所以拿来对比,是因为鼎鼎大名的Tesla,就是使用松下公司的18650镍钴铝三元电芯做电动汽车的动力电池系统,并且做到了接近500公里的续航里程,说明了这种正极材料,还是有其独特的价值。

  (2)无机非金属类负极材料:用作锂离子电池负极的无机非金属材料主要是碳材料、硅材料及其它非金属的复合材料。

  钴酸锂的商业化应用走的最早,第一代商业化应用的锂离子电池就是SONY在1990年推向市场的钴酸锂离子电池,随后在消费类产品中得到大规模应用。随着手机、笔记本、平板电脑的大规模普及,钴酸锂一度是锂离子电池正极材料中销售量占比最大的材料。但其固有的缺点是质量比容量(不等同于能量密度)低,理论极限是274mAh/g,出于正极结构稳定性考虑,实际只能达到理论值的50%,即137mAh/g。同时,由于地球上钴元素的储量比较低,也导致钴酸锂的成本偏高,难以在动力电池领域大规模普及,所以钴酸锂正极材料将被其他材料逐步取代。

  日韩企业在近几年大力推动三元材料的应用,镍钴锰三元材料逐渐成为市场的主流,国内企业也采取跟随策略,逐步转向三元材料。三元材料的比容量较高,目前市场上的产品已经可以达到170~180mAh/g,从而可以将电池单体的能量密度提高到接近200Wh/kg,满足电动汽车的长续航里程要求。此外,通过改变三元材料的配比(x,y的值),还可以达到良好的倍率性能,从而满足PHEV和HEV车型对大倍率小容量锂离子电池的需求,这也正是三元材料大行其道的原因。从化学式可以看出,镍钴锰三元材料综合了钴酸锂(LiCoO2)和锰酸锂(LiMn2O4)的一些优点,同时因为掺杂了镍元素,可以提升能量密度和倍率性能。

  我们经常会看到磷酸铁锂,三元等专业的锂离子电池术语,这些都是根据锂离子电池正极材料来区分锂离子电池的类型。相对来讲,锂离子电池的正、负极材料对电池性能的影响比较大,是大家比较关心的方面。那么,当前市场上都有哪些常见的正负极材料呢?用他们做锂离子电池,又有哪些优缺点?

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  连一直坚守磷酸铁锂路线的比亚迪也开始“动摇”,是否预示着动力电池技术路线已定?记者采访中发现,仍然有不少企业坚持走磷酸铁锂路线。深圳一家动力电池企业负责人表示,磷酸铁锂循环寿命长,安全性、稳定性强,相比三元更加环保,成本也在逐渐降低,相信目前依然是主流抉择。

  “现在不管是广东还是江苏、天津,产能都还局限在1GWh到2GWh之间,但德国的一个工厂就是30GWh,如果我们还停留在此,肯定没有任何竞争优势,需要规模化和增量,一方面是新建工厂,另一方面则是旧厂改造。”伍伸俊说道。

  (3)过渡金属氧化物材料:这类材料一般具有结构稳定,循环寿命长等优点,如锂过渡氧化物(钛酸锂等)、锡基复合氧化物等。

  锰酸锂的商业化应用,主要在动力电池领域,是锂离子电池一个比较重要的分支。如日产的leaf纯电动轿车采用了日本AESC公司的锰酸锂离子电池,早期的雪弗兰Volt也采用韩国LG化学的锰酸锂离子电池。锰酸锂的突出优点是成本低,低温性能好,缺点是比容量低,极限在148mAh/g,且高温性能差,循环寿命低。所以锰酸锂的发展有明显的瓶颈,近年来的研究方向主要是改性锰酸锂,通过掺杂其他元素,改变其缺点。

  2)在锂离子脱嵌时无结构上的变化,具有良好的充放电可逆性和循环寿命;

  就当前的市场而言,在大规模商业化应用方面,负极材料仍然以碳材料为主,石墨类和非石墨类碳材料都有应用。在汽车及电动工具领域,钛酸锂作为负极材料也有一定的应用,主要是具有非常优异的循环寿命、安全性和倍率性能,但是会降低电池的能量密度,因此不是市场主流。其他类型的负极材料,除了SONY在锡合金方面有产品推出,大多仍以科学研究和工程开发为主,市场化应用的比较少。

  首先,我们来看看正极材料,正极材料的选择,主要基于以下几个因素考虑:

  今年11月16日,一直坚守磷酸铁锂路线的比亚迪在接受机构投资者调研时表示,目前公司所有的PHEV乘用车都已使用三元电池,未来公司的规划可能除公共交通领域还会继续使用磷酸铁锂电池外,其他的新车型都会使用三元电池。根据比亚迪方面规划,到今年年底将会有16GWh的动力电池产能。其中6GWh的三元电池,10GWh的磷酸铁锂电池,明年还会增加10GWh三元电池的产能。

  以上仅仅是比较常见的锂离子电池正极材料,并不代表所有的技术路线。实际上,不管是高校和科研院所,还是企业,都在努力研究新型的锂离子电池正极材料,希望把能量密度和寿命等关键指标提升到更高的量级。当然,如果要在2020年达到250Wh/kg,甚至300Wh/kg的能量密度指标,现在商业化应用的正极材料都无法实现,那么正极材料就需要比较大的技术变革,如改变层状结构为尖晶石结构的固溶体类材料,以及有机化合物正极材料等,都是目前比较热门的研究方向。

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  众所周知,锂离子电池由于材料的不同可以分为磷酸铁锂、三元锂、碳酸锂、镍酸锂等多种类型。在此之前,国内新能源车企比亚迪等一直坚持磷酸铁锂电池路线,而以特斯拉为代表的新能源车企一直在走三元锂电池之路。与后者相比,磷酸铁锂的量产成熟度要比三元材料、多元复合材料更高。同时从材料层面讲,也具有更高的安全性,但三元材料、多元复合材料在能量密度方面比磷酸铁锂有优势。因此,从续航里程上看,特斯拉的续航里程大大超越比亚迪旗下车型。

  (1)金属类负极材料:这类材料多具有超高的嵌锂容量。最早研究的负极材料是金属锂。由于电池的安全问题和循环性能不佳,金属锂作为负极材料并未得到广泛应用。近年来,合金类负极材料得到了比较广泛的研究,如锡基合金,铝基合金、镁基合金、锑基合等,是一个新的方向。

  当然,这些都是理想,实际上受制于各种各样的现实因素,我们既不可能获得无限的能量,也不可能实现能量的瞬间转移。如何不断的突破这些限制,达到更高的等级,就是需要我们去解决的难题。

  3)化学反应过程中的结构稳定性要好,使得锂离子电池具有长循环寿命;

  相对而言,针对锂离子电池负极材料的研究,没有正极材料那么多,但是负极材料对锂离子电池性能的提高仍起着至关重要的作用,锂离子电池负极材料的选择应主要考虑以下几个条件:

  由于稳定性,安全性,材料合成困难等方面的缺点,镍酸锂的商业应用较少,市场上很少看到,这里不做论述。

  正如安凯客车新能源研究所所长陈顺东所认为的:三元锂PK磷酸铁锂技术路线之争看似巨大,但对于用户和整车企业来说,两种技术路线实则各有千秋。归根结底,不同车型选择适合其运营的不同电池,才是问题的根本所在。与此同时,波士顿电池工程与战略企划副总裁苑文学认为“目前业内对电动汽车安全性的关注和讨论,过多地自动地聚焦在电池层面,而对于电池成组层面的应用安全设计关注和讨论都相对欠缺”。在他看来,动力电池的应用安全是一个系统工程,在不能保证电池热失控完全不发生的情况下,要通过BMS(电池管理系统)、TMS、熔断保护、热障、结构集成等等,在成组设计中设置多重的安全保障。而在与车辆的匹配过程中,周到和精细的应用设计,尤其是充分耐久性试验认证是必不可少的。如果不能系统的对动力电池的安全性加以重视,在他看来,孤立的谈论技术路线和安全是没有意义的。

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  1)具有较高的氧化还原反应电位,使锂离子电池达到较高的输出电压;

  简单的理解,例如,一块锂电在第一天只用了一半的电量,然后又为它充满电。如果第二天还如此,即用一半就充,总共两次充电下来,这只能算作一个充电周期,而不是两个。因此,通常可能要经过好几次充电才完成一个周期。每完成一个充电周期,电量就会减少一点。不过,减少幅度非常小,高品质的电池充过多次周期后,仍然会保留原始电量的80%,很多锂电供电产品在经过两三年后仍然照常使用,就是这个原因。当然锂电寿命到了最终还是需要更换的。

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  即便如此,工信部装备工业司司长张相木1月24日在电动汽车百人会“动力电池的发展与突破”峰会上表示,出于对动力电池安全问题的考虑,目前国家将暂停三元锂电池客车列入新能源汽车推广应用推荐车型目录。虽然只是“暂停”,但国家相关部门的这一决定无疑是给蓬勃发展的三元锂电池行业泼了一盆冷水,如何平衡续航和安全两大问题,再度成为业内企业应该给予关注的焦点性话题。

  能量密度,是单位体积或重量可以存储的能量多少,这个指标当然是越高越好,凡是浓缩的都是精华嘛。充放电倍率,是能量存储和释放的速度,最好是秒速,瞬间存满或释放,召之即来挥之即去。

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  3)锂离子在其中应尽可能多的嵌入和脱出,以使电极具有较高的可逆容量;

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