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電池专題

常見的六種股票配资世界特性及參數

来源:寶鄂    2019-01-14 16:46    點擊量:

大家都知道,相同技術路線的電芯,其具體參數并不完全相同,本文所顯示的是當前參數的一般水平。六種股票配资世界具體包括:钴酸锂(LiCoO2),錳酸锂(LiMn2O4),鎳钴錳酸锂(LiNiMnCoO2或NMC),鎳钴鋁酸锂(LiNiCoAlO2或稱NCA),磷酸鐵锂(LiFePO4),钛酸锂(Li45O12)。

钴酸锂(LiCoO 2)

其高比能量使钴酸锂成为手機,筆記本電腦和數碼相機的熱门選擇。電池由氧化钴陰極和石墨碳陽極組成。陰極具有分層結構,在放電期間,锂離子從陽極移动到陰極,充電過程則流动方向相反。 結構形式如圖1所示。

圖1: 钴酸锂結構

陰極具有分層結構。在放電期間,锂離子從陽極移动到陰極; 充電時流量從陰極流向陽極。

钴酸锂的缺點是壽命相對較短,熱穩定性低和負載能力有限(比功率)。像其他钴混合锂離子電池一樣,钴酸锂采用石墨陽極,其循環壽命主要受到固體電解質界面(SEI)的限制,主要表現在SEI膜的逐漸增厚,和快速充電或者低溫充電過程的陽極鍍锂問題。較新的材料體系增加了鎳,錳和/或鋁以提高壽命,負載能力和降低成本。钴酸锂不應以高于容量的進行充電和放電。这意味着具有2,400mAh的18650電池隻能以小于等于2,400mA充電和放電。強制快速充電或施加高于2400mA的負載會導致過熱和超負荷的應力。为獲得最佳快速充電,制造商建議充電倍率为0.8C或約2,000mA。電池将能量單元的充電和放電速率限制在約1C的安全水平。六角蜘蛛圖(圖2)總結了與運行相關的具體能量或容量方面的钴酸锂性能;具體功率或提供大電流的能力; 安全; 在高低溫環境下的性能表現; 壽命包括日曆壽命和循環壽命; 成本特性。蜘蛛圖中沒有顯示的其他重要特征還包括毒性,快速充電能力,自放電和保質期。由于钴的高成本以及通過與其他活性陰極材料混合材料帶来的明顯性能改善,钴酸锂正在逐步被錳酸锂替代,尤其是NMC和NCA。(請參閱下面對NMC和NCA的描述。)

圖2: 平均钴酸股票配资世界的蜘蛛圖。

钴酸锂在高比能量方面表現出色,但在功率特性、安全性和循環壽命方面隻能提供一般的性能表現

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表3:钴酸锂的特性

錳酸锂(LiMn2O4)

尖晶石錳酸股票配资世界首次發表于1983年的材料研究報告中。1996年,Moli能源公司将錳酸锂为陰極材料的锂離子電池商业化。該架構形成三維尖晶石結構,可改善電極上的離子流动,從而降低内部電阻并改善電流承載能力。尖晶石的另一個优點是熱穩定性高,安全性提高,但循環和日曆壽命有限。低電池内阻可實現快速充電和大電流放電。18650型電芯,錳酸股票配资世界可以在20-30A的電流下放電,并具有适度的熱量積累。也可以施加高达50A1秒負載脈沖。在此電流下持續的高負荷會導致熱量積聚,電池溫度不能超過80°C(176°F)。錳酸锂用于電动工具,醫療器械,以及混合动力和純電动汽車。圖4說明在錳酸股票配资世界的陰極上形成三維晶體骨架。該尖晶石結構通常由連接成晶格的菱形形狀組成,一般在電池化成後出現。

圖4:錳酸锂結構。錳酸锂陰極結晶形成具有在化成後成型的三維骨架結構。尖晶石提供低電阻,但比能量低于钴酸锂。

錳酸锂的容量大約比钴酸锂低三分之一。設計靈活性使工程師能夠選擇最大限度地延長電池的使用壽命,或者提高最大負載電流(比功率)或容量(比能)。例如,18650電池的長壽命版本隻有1,100mAh的适中容量; 高容量版本則达到1,500mAh。圖5顯示了典型錳酸股票配资世界的蜘蛛圖。这些特性參數似乎不太理想,但新設計在功率,安全性和壽命方面有所改進。純錳酸股票配资世界今天不再普遍; 它們隻在特殊情況下應用。

圖5:純錳酸股票配资世界的蜘蛛圖。盡管整體性能一般,但新型錳酸锂設計可以提高功率,安全性和壽命。

大多數錳酸锂與锂鎳錳钴氧化物(NMC)混合,以提高比能量并延長壽命。这種組合帶来了每個系統的最佳性能,而大多數電动汽車,如日産Leaf,雪佛蘭Volt和寶馬i3都選用了LMO(NMC)。電池的LMO部分可以达到30%左右,可以在加速時提供較高的電流; NMC部分提供了很長的續航里程。锂離子電池研究傾向于将錳酸锂與钴,鎳,錳和/或鋁組合作为活性陰極材料。在一些架構中,少量矽被添加到陽極。这提供了25%的容量提升; 然而,矽随着充放電膨脹和收縮,從而引起機械應力,容量提升通常與短的循環壽命緊密聯系。可以方便地選擇这三種活性金屬以及矽增強来提高比能(容量),比功率(負載能力)或壽命。消费電池需要大容量,而工业應用需要電池系統,具有良好的負載能力,壽命長,并提供安全可靠的服務。

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表6:錳酸锂氧化物的特性

鎳钴錳酸锂(LiNiMnCoO 2或NMC)

最成功的锂離子體系之一是鎳錳钴(NMC)的陰極組合。與錳酸锂類似,这個體系可以定制用作能量電池或功率電池。例如,中等負載條件下的18650電池中的NMC具有約2,800mAh的容量并且可以提供4A至5A放電電流; 同一類型的NMC在針對特定功率進行优化時,容量僅为2,000mAh,但可提供20A的連續放電電流。矽基陽極将达到4000mAh以上,但負載能力降低,循環壽命縮短。添加到石墨中的矽具有缺陷,即陽極随着充電和放電而膨脹和收縮,使得電池機械應力大結構不穩定。NMC的秘密在于鎳和錳的結合。與此類似的是食鹽,其中主要成分鈉和氯化物本身是有毒的,但将它們混合起来作为調味鹽和食品保存劑。鎳以其高比能量而聞名,但穩定性差;錳尖晶石結構可以實現低内阻但比能量低。兩種活性金屬优勢互補。

NMC是電动工具,電动自行車和其他電动动力系統的首選電池。陰極組合通常是三分之一鎳,三分之一錳和三分之一钴,也被稱为1-1-1。这提供了一種獨特的混合物,由于钴含量降低,也降低了原材料成本。另一個成功的組合是NCM,其中含有5份鎳,3份钴和2份錳(5-3-2)。也可以使用其他不同量的陰極材料組合。由于钴的高成本,電池制造商從钴系轉向鎳陰極。鎳基系統比钴基電池具有更高的能量密度,更低的成本和更長的循環壽命,但是它們的電壓略低。新型電解質和添加劑可以使單隻電池充電至4.4V以上,從而提高電量。

圖7展示了NMC的特性。

圖7:NMC的蜘蛛圖。NMC具有良好的整體性能,并且在比能量方面表現出色。这種電池是電动車的首選,具有最低的自熱率。

由于該體系经濟性和綜合性能表現均比較好,因此NMC混合锂離子電池越来越受到重視。鎳,錳和钴三種活性材料可輕松混合,以适應需要頻繁循環的汽車和能源存儲系統(EES)的廣泛應用。NMC家族的多樣性正在增長。彙總表

 

表8: 锂鎳錳钴氧化物(NMC)的特性。

磷酸鐵锂(LiFePO 4)

1996年,德克薩斯大学發現磷酸鹽可作为再充電股票配资世界的陰極材料。磷酸锂具有良好的電化学性能和低電阻。这是通過納米級磷酸鹽陰極材料實現的。主要优點是高額定電流和長循環壽命;良好的熱穩定性,增強了安全性和對濫用的容忍度。如果長時間保持在高電壓下,磷酸锂對全部充電條件的耐受性更強,并且比其他锂離子系統的應力更小。缺點是,較低的3.2V電池标稱電壓使得比能量低于钴摻雜锂離子電池。對于大多數電池来說,低溫會降低性能,升高儲存溫度會縮短使用壽命,磷酸锂也不例外。磷酸锂具有比其他锂離子電池更高的自放電,这可能會引起老化進而帶来均衡問題,雖然可以通過選用高質量的電池或使用先進的電池管理系統来彌補,但这兩種方式都增加了電池組的成本。電池壽命對制造過程中的雜質非常敏感,不能承受水分的摻雜,由于水分雜質的存在有些電池最短壽命隻有50個循環。

圖9總結了磷酸锂的屬性。常用磷酸锂代替鉛酸起动蓄電池。四個串聯電池産生12.80V,與六個2V鉛酸電池串聯的電壓相似。車輛将鉛酸充電至14.40V(2.40V/電池)并保持浮充狀态。浮充的用意在于保持完全充電水平并防止鉛酸電池硫酸化。通過串聯四個磷酸股票配资世界,每個電池的電壓均为3.60V,这是正确的滿充電電壓。此時,應該斷開充電,但駕駛時繼續充電。磷酸锂容忍一些過度充電; 然而,由于大多數車輛在長途旅行中長時間保持電壓在14.40V,可能會增加磷酸股票配资世界的機械應力。時間會告訴我們磷酸锂作为鉛酸電池的替代品能夠承受多長時間的過充電。低溫也會降低锂離子的性能,可能會影響極端情況下的起动能力。

圖9:典型磷酸股票配资世界的蜘蛛圖。磷酸锂具有良好的安全性和長壽命,比能量适中,自放電能力增強。由Cadex提供

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表10:磷酸鐵锂的特性

鎳钴鋁酸锂(LiNiCoAlO2或稱NCA)

鎳钴鋁酸股票配资世界或NCA自1999年以後被應用。它具有較高的比能量,相當好的比功率和長的使用壽命與NMC有相似之處。不太讨人喜歡的是安全性和成本。

圖11總結了六個關鍵特征。NCA是锂鎳氧化物的進一步發展;加入鋁賦予電池更好的化学穩定性。

圖11:NCA的蜘蛛圖。高能量和功率密度以及良好的使用壽命使NCA成为EV动力系統的候選者。高成本和邊際安全性卻有負面的影響。

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表12:鎳钴鋁酸锂的特性

钛酸锂(Li4Ti5O12)

自二十世紀八十年代以来,钛酸锂陽極的電池已为人所知。钛酸锂代替典型锂離子電池陽極中的石墨,并且材料形成尖晶石結構。陰極可以是錳酸锂或NMC。钛酸锂的标稱電池電壓为2.40V,可以快速充電,并提供10C的高放電電流。據說循環次數高于常規锂離子電池的循環次數。钛酸锂是安全的,具有出色的低溫放電特性,在-30°C(-22°F)時可獲得80%的容量。LTO(通常是Li4Ti5 O12)零應變,沒有SEI膜形成和在快速充電和低溫充電時無锂電鍍現象,因而具有优于傳統的钴摻混的Li-離子與石墨陽極的充放電性能。高溫下的熱穩定性也比其他锂離子體系好; 然而,電池价格昂貴。比能量低,隻有65Wh/kg,與NiCd相當。钛酸锂充電至2.80V,放電結束時为1.80V。圖13顯示了钛酸股票配资世界的特性。典型用途是電动动力傳动系統,UPS和太陽能路燈。

圖13:钛酸锂蜘蛛圖。钛酸锂在安全性,低溫性能和壽命方面表現出色。正在努力提高比能量和降低成本。

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表14:钛酸锂的特性

圖15比較了基于鉛,鎳和锂體系的比能。雖然锂鋁(NCA)通過比其他系統儲存更多容量而成为明顯的赢家,但它僅适用于特定場景的電源使用。就比功率和熱穩定性而言,錳酸锂(LMO)和磷酸锂(LFP)优異。钛酸锂(LTO)的容量可能較低,但它的壽命超過了其他大多數電池,并且具有最佳的低溫性能。

圖15:鉛,鎳和锂基電池的典型比能量

NCA享有最高的比能量; 然而,錳酸锂和磷酸鐵锂在比功率和熱穩定性方面优越。钛酸锂具有最好的使用壽命。

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