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電池知识

锂離子动力電池三元正極材料有幾個研究趨勢?它們各有哪些特點呢?

来源:未知    2019-03-27 13:36    點擊量:

1 高鎳三元材料


 

鎳钴錳具有高比容量、長循環壽命、低毒和廉价的特點,此外,三種元素之間具有良好的協同效應,因此受到了廣泛的應用。用于股票配资世界正極材料,在氧化還原儲能中,鎳是主要的成分,如何通過提高材料中鎳的含量以有效提高材料的比容量,是目前研究的熱點之一。

 

一般来說,高鎳的三元正極材料是指材料中鎳的摩爾分數大于0.6,这樣的三元材料具有高比容量和低成本的特點,但也存在容量保持率低,熱穩定性能差等缺陷。

 

 

 

通過制備工藝的改進可以有效改善材料性能。顆粒的微納尺寸以及形貌結構,在很大程度上決定着高鎳三元正極材料的性能。因此目前主要的制備方法是将将不同原料均勻分散,通過不同生長機制,得到比表面積大的納米球形顆粒。

 

在衆多制備方法中,共沉澱法與高溫固相法結合是目前的主流方法,首先采用共沉澱法,得到原料混合均勻、材料粒徑均一的前驅體,然後经過高溫煅燒得到表面形貌規整、過程易于控制的三元材料,这是目前工业生産的主要方法。

 

噴霧幹燥法較共沉澱法過程簡單,制備速度快,所得材料形貌并不亞于共沉澱法,有進一步研究的潛力。高鎳三元正極材料的陽離子混排和充放電過程中相變等缺點,通過摻雜改性和包覆改性能夠有效得到改善。在抑制副反應發生和穩定結構的同時,提高導電性、循環性能、倍率性能、存儲性能以及高溫高壓性能,仍将是研究的熱點。

 

 

2 富锂三元材料


 

下圖为富锂三元正極材料xLi2MnO3·(1-x)LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2(0.1≤x≤0.5)的結構示意圖,由于其特殊的結構,可脫出更多的锂,具有寬電壓窗口和高比容的优勢,近年来被研究者所青睐。

 

 

 

这種材料之所有具有高電壓的特點,而且首次充放電機理與後續充電不同:首次充電會引起結構的變化,这種變化反映在充電曲線上有兩個以 4.4V 为分界的不同的平台,第二次充電過程中,其充電曲線不同于第一次的曲線,由于第一次充電過程中Li2O從層狀結構的Li2MnO3中不可逆的脫出,在4.5V左右的平台消失。

 

采用固相法、溶膠凝膠法、水熱法、噴霧熱解法和共沉澱法可以制備出不同結構的富锂三元正極材料,其中,使用較多的是共沉澱法,且每一種方法均有其各自的优缺點。

 

富锂三元材料展現了良好的應用前景,是下一代高容量锂離子電池所需的關鍵材料之一,但對于大規模應用繼續研究。

 

該材料未来的研究方向主要为以下幾個方面:

 

(1) 對脫嵌锂機理的認识不足,無法解釋材料庫倫效率将低、材料性能差異大等現象;

(2) 摻雜元素研究不夠充分,較單一;

(3) 由于在高電壓下正極材料受到電解液的侵蝕,造成差的循環穩定性;

(4) 商业化應用較少,在安全性能方面的考察不夠全面。

 

3 單晶三元正極材料


 

锂電三元材料在高電壓下,随着循環次數的增加,二次粒子或團聚态單晶後期可能會出現一次粒子界面粉化或團聚态單晶分離的現象,造成内阻變大、電池容量衰減快、循環變差。

 

單晶型高電壓三元材料,可以提高锂離子傳遞效率,同時減小材料與電解液之間的副反應,從而提高材料在高電壓下的循環性能。首先利用共沉澱法制備出三元材料前驅體,然後在高溫固相的作用下,得到單晶LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2。

 

这種材料材料具有較好的層狀結構,在 3~4.4 V 下,扣式電池 0.1放電比容量可达 186.7 m Ah/g,全電池1300次循環後放電比容量仍为初始放電容量的 98%,是一種電化学性能优異的三元正極複合材料。

 

新正锂业采用獨特的制備工藝,自行設計和裝配了先進的锂離子電池正極材料生産線,在國際上首次大規模化生産微米級單晶顆粒改性尖晶石錳酸锂和鎳钴錳酸锂三元系正極材料,达到年産500噸的生産能力。

 

 

 

4 石墨烯摻雜


 

石墨烯具有單層原子厚度的二維結構,結構穩定,電導率可达1×106 S/m。石墨烯用于锂離子電池中具有以下优點:① 導電和導熱性好,有助于提高電池的倍率性能和安全性;② 相對于石墨,石墨烯儲锂空間多,可以提高電池的能量密度;③ 顆粒尺度为微納米量級,锂離子的擴散路徑短,有利于提高電池的功率性能。

 

JAN課題組利用研磨方法,首先将石墨烯和811型三元材料混合,然後50℃環境下攪拌 8h,再经過幹燥,得到石墨烯/811複合材料。由于石墨烯的改性作用,正極材料的容量、循環穩定性以及倍率性能都具有顯着的提高。

 

WANG在沉澱法制備三元前體時加入石墨烯,片層結構石墨烯的加入其空腔結構降低了一次顆粒的團聚,緩解外壓從而減少二次顆粒碾壓的破碎,石墨烯的三維導電網絡提高了材料高倍率性和循環性能。

 

 

 

5 高電壓電解液

 

三元材料由于具有高電壓窗口,受到了越来越多的關注與研究。然而,由于目前商业用的碳酸酯基電解液電化学穩定窗口低,高壓正極材料至今仍未産业化。

 

當電池電壓达到4.5 (vs.Li/Li+)左右時電解液便開始發生劇烈的氧化分解,導致電池的嵌脫锂反應無法正常進行。通過開發和應用新型的高壓電解液體系或者高壓成膜添加劑来提高電極/電解液界面的穩定性是研發高電壓型電解液的有效途徑。

 

 

 

在儲能體系中,目前主要以離子液體、二腈類有機物和砜類有機溶劑,作为高電壓三元材料的電解液。具有低熔點、不可燃、低蒸汽壓和高離子電導率的離子液體表現出了优異的電化学穩定性能,受到了廣泛的研究。

 

将具有高壓穩定性的新型溶劑全部或部分代替目前常用的碳酸酯溶劑确實能有效提高電解液的氧化穩定性。并且大部分的新型有機溶劑具有可燃性低等优點,有望從根本上提高锂離子電池的安全性能,但大部分的新型溶劑還原穩定性差和粘度高,導致電池負極材料的循環穩定性及電池的倍率性能降低。

 

在高電壓電解液中,成膜添加劑也是必不可少的組成,常見的有四苯基氨化膦、Li BOB、二氟二草酸硼酸锂、四甲氧基钛、琥珀酰酐、三甲氧基磷等。

 

在碳酸酯基電解液中加入少量的( < 5%)成膜添加劑,使其优先于溶劑分子發生氧化/還原分解反應,并在電極表面形成一層有效的保護膜,可抑制碳酸酯基溶劑的後續分解。性能优異的添加劑所形成的膜甚至可抑制正極材料金屬離子的溶解以及在負極的沉積,從而顯着提高電極/電解液界面穩定性及電池的循環性能。

 

6 表面活性劑輔助合成


 

三元正極材料性能取決于制備方法,采用共沉澱法制備,通過表面活性劑、超聲振动和機械攪拌協同作用,最後将制備的片狀前驅體與碳酸锂通過高溫退火,生長成三元層狀結構,是目前采用的一種新型的三元正極材料合成工藝。

 

發現使用OA和PVP作为表面活性劑能制備出形貌优異的正六邊形納米片狀正極材料前驅體,且所得納米片的粒度分布較均勻,尺寸为 400nm 左右,表面活性劑對前驅體有很好的控形作用,組裝的電池在 1C 的放電倍率下的首次放電比容量为 157.093 m Ah·g-1,在 1C、2C、5C 和 10C 的放電倍率下各循環 50 次後容量保持率大于 92%,體現出良好的電化学性能。

 

 

 

 

7 微波合成方法


 

制備三元正極材料的主要方法中,固相法、共沉澱法和溶膠凝膠法都需要通過高溫燒結數小時,耗能大,制備工藝複雜。微波加熱是在電磁場中材料産生介質損耗而引起的體加熱,加熱速度快且均勻,合成的材料往往也具有更优異的結構和性能,是一種非常有潛力的合成正極材料的方式。

 

 

 

蘇玉長等人将锂源與計量比的前驅體混合後置于微波爐中,抽真空并通入氧氣,通過控制微波功率以實現不同速率的升溫,加熱到750℃後燒結20 min,自然冷卻至室溫得到正極材料。

 

利用XRD、SEM和充放電等手段,對合成材料的結構、微觀形貌和電化学性能進行了表征。實验結果表明,在1300 W 的輸出功率的微波中合成的正極材料,在0.2C充放電條件下,首次放電比容量高达185.2m Ah / g,庫倫效率为84%,循環30次後保持92.3%的容量(2.8~4.3 V),表現出了良好的電化学性能和應用潛力。

 

8 紅外合成方法


 

在紅外線照射被加熱的物體時,當發射的紅外線波長和被加熱物體的吸收波長一致時,被加熱的物體吸收紅外線,物體内部分子和原子 發生“共振”,産生強烈的振动、旋轉,而振动和旋轉使物體溫度升高,达到加熱的目的。

 

利用这一加熱原理,可以用于制備三元正極材料。HSIEH采用新型紅外加熱焙燒技術制備三元材料,首先将鎳钴錳锂乙酸鹽加水混合均勻,然後加入一定濃度的葡萄糖溶液,真空幹燥得到的粉末在紅外箱中350℃焙燒1h,然後在900℃氮氣氣氛下焙燒3h,一步制得碳包覆的333型三元正極材料,在 2.8~4.5V電壓範圍内,1C放電50圈,容量保持率高达94%,首圈放電比容量达170m Ah/g,5C为75m Ah/g,大倍率性能有待改善。

 

後来HSIEH還嘗試中頻感應燒結技術,采用200℃/min升溫速率,900℃下加熱3h,制備了粒徑均勻分布在300~600nm的333材料,該材料循環性能优異,但大倍率充放電性能有待完善。

 

 

 

 

9 等離子體合成方法


 

采用傳統的高溫煅燒法制備三元正極材料時,需要的合成溫度高、煅燒時間長,能量損失大。

 

研究發現,在低溫等離子體環境中,各反應物的化学活性高,化学反應速度快,可以實現三元正極材料的快速制備。将鎳钴錳的氧化物與碳酸锂混合均勻,然後在放入等離子體發生裝置中,在通入氧氣的條件下,600℃反應20~60 分鐘得到三元正極材料Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2。

 

制備的正極材料具有高的初始放電比容量218.9 mA h·g-1,同時循環穩定性、倍率性和高溫性能也由于采用傳統方法制備的材料。

 

 

 

10 廢舊電池制備三元正極材料


 

锂離子電池的正極材料成本占30%-40%,因此,可以通過回收廢舊電池正極材料,利用制備工藝回複正極材料的儲能性能,能夠很大程度上降低锂離子電池成本,而且一個完整的锂離子電池産业鍊就應該包括锂離子電池的回收利用。

 

格林美公司投资1億元建成了中國最大規模的廢舊電池與報廢電池材料處理生産線,年回收利用钴资源4000噸以上,占中國戰略钴资源供應的30%以上,形成了格林美電池材料“從廢電池中来,到新電池中去”的循環再造特色路線。

 

整個生産線由廢舊電池循環再造的鎳、钴、錳配成溶液,添加合成劑,经過一系列工序,就變成了鎳钴錳三元动力股票配资世界正極材料。自2014年10月投産以来已實現産值近2億元,預計未来可實現産值5至6億元。