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          發表時間/2022-05-27
        • 三元鋰離子電池發展前景及的工作原理

            三元鋰離子電池是一種以鎳鈷錳酸鋰為正極材料的鋰離子電池,也稱為三元鋰離子電池,簡稱NCM。材料比例不同,電池的相關電性能也不同。開發流程為NCM111、NCM532、NCM622和NCM811。鎳含量越高,電池的比容量越高,價格越便宜,但電池的安全性能越差。

            1.電池的結構如下:

            鈷:減少陽離子的混合占據,穩定材料的層狀結構,降低阻抗值,提高導電性,改善循環和效率。

            鎳:可以提高材料的容量,但由于鋰和鎳的半徑相近,鎳過多會因與鋰發生位錯而導致鋰鎳混合放電。鋰層中鎳離子的濃度越高,鋰在層狀結構中脫嵌越困難,導致電化學性能差。

            錳:既能降低材料成本,又能提高材料的安全性和穩定性。但如果錳含量過高,容易出現尖晶石相,破壞層狀結構,降低容量,降低循環。

            二。三元正極材料的電化學機理

            在NCM電極材料中,三種過渡金屬的主要化學價態是不同的。Ni以二價為主(主要活性元素),Co以三價為主,Mn以四價為主,還含有少量的3 Ni和4 Mn。

            一般來說,在正常充電過程中,NCM電極材料中過渡金屬Ni、Co、Mn的氧化順序通常為:二價Ni氧化為三價Ni,三價Ni氧化為四價Ni,提供材料的比容量;最后,三價Co被氧化成四價。在整個過程中,四價Mn不參與化學反應,化學價保持不變,提供支持。

            三。三元正極材料的失效機理

            對不同過渡金屬元素配比的三元正極材料的研究表明,電極材料的比容量隨著鎳含量的增加而增加,但當NCM材料的鎳含量高于0.6時,電極材料的循環穩定性會顯著下降。

            當電池脫鋰量較低時,隨著NCM電極材料中鎳含量的增加,Li  /Ni2的混合放電程度更大,進入鎳空位的鋰難以脫嵌,占據鋰空位的鎳會堵塞Li的擴散通道,導致電池首次庫侖效率低,長期充放電過程穩定性差。陽離子的混合放電導致鋰在NCM電極材料表面析出,增加了材料的表面堿值。在電池充放電過程中會分解,產氣導致電池鼓脹脹氣,降低安全性。當脫鋰量較高時,層狀材料會轉化為尖晶石結構和含有非活性組分的NiO型巖鹽結構,增加晶相的無序性,產生局部微應力,破壞晶粒,在斷口處形成鈍化膜,失去活性鋰,最終導致電極材料與導電劑接觸效果不佳。在高脫鋰狀態下,電極材料中的O2-會進一步氧化形成過氧化物或過氧化,導致電極材料脫氧,與過渡金屬形成不穩定的高氧化副產物,導致電極材料表面發生劇烈的氧化反應,降低材料的循環穩定性和電池的壽命。與鈷酸鋰相比,更便宜,耐壓略高,平均放電電壓平臺略低,克容量略高,但壓縮比較低。同類型電池容量略低于鈷酸鋰電池。與鋰鐵氧體電池相比,單位功率更高,循環壽命更短,安全性更差。

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