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三元材料具有能量密度高、放电容量大、循环性能好、结构比较稳定等优势,已成为锂电池正极材料的重要发展方向,并被广泛应用于新能源汽车、电动自行车、电动工具及3C等相关领域。
三元锂离子电池到底是哪三元?三元锂离子电池的“三元”指的是包含镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)或铝(Al)三种金属元素的聚合物,在三元锂离子电池中做正极。三者缺一不可,在电池内部发挥的用途。
钴的外貌和纯铁或镍相似,硬度铁,电解沉积出来的钴其硬度又高温生产的金属钴。钴中含有少量碳时(高达0.3%)会增大钴金属的抗张强度和耐压强度,而不会影响其硬度。钴可以机械加工,但略有脆性。钴的物理性质不仅在程度上依赖于钴的纯度,而且也依赖于存在的异形变体(或异形变体混合物),关于钴(即使其纯度99.9%)已报道的物理性质常会有不一致的数据,这大概只能用钴的两种异构变体之间转化速度很慢来加以解释。
铁和镍一样,钴是铁磁性的,虽然铁在铁磁性元素中具有高的磁化强度,而钴却是可以增大此磁化强度的元素,纯铁的磁化强度为21500Gs,而组成为65%Fe、35%Co的合金其磁化强度却可高达到24·300Gs。钴的更的磁性已知高的居里点1121℃,已发展出多种多样的特种的钴钢和钴合金材料。
制造电池设备是钴重要的用途,使用量占到全部钴使用量的40%。钴主要用来制作锂离子电池的钴酸锂,镍氢电池的氧化亚钴等。含钴材料是稳定的锂电池正极材料,是电池的核心之一,具有能量密度高和环保安全性高的特点。三元锂电池是指使用镍钴锰或者镍钴铝酸盐等三元材料为电池正极的锂电池。相对于传统锂电池,三元锂电池具有综合性能和低成本的双重优势。
锂离子电池是用锂作负极活性物质的化学电池。锂的标准电极电位负,在金属中比重轻,反应活泼性高,因而锂电池的电动势和比能量很高,是一种重要的高能电池。 锂电池的正极活性物质有氧化物、硫化物、卤化物、卤素、含氧酸盐等无机电极材料,如二氧化锰、二氧化硫、硫化铜、铬酸银、聚氟化碳、亚硫酰氯、碘等;也可以电子导电聚合物作正极材料,如聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚咔唑等,又称为聚合物电池。锂电池的电解质为非水溶液、固体和熔融盐。非水溶液电解质由有机溶剂或非水无机 溶剂加入无机盐组成,采用的有机溶剂主要有碳酸丙烯酯、二甲基丙酰胺、乙腈、γ-丁内酯等;非水无机溶剂有亚硫酰氯、液体二氧化硫等。无机盐有高氯酸锂、氯化铝锂、氟硼酸锂、溴化锂等。因锂和水接触立即发生激烈反应, 所以不仅电解质不能采用水溶液,而且全部材料和零部件均需严格脱水,并可靠密封。锂离子电池作为一种集高能量密度和高电压为一体的储能装置,已广泛应用于移动和无线电子设备、电动工具、混合动力和电动交通工具等领域。
三元聚合物锂电池是指正极材料使用锂镍钴锰或者镍钴铝酸锂的三元正极材料的锂电池,锂离子电池的正极材料有很多种,主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。其中磷酸铁锂作为正极材料的电池充放电循环寿命长,但其缺点是能量密度、高低温性能、充放电倍率特性均存在较大差距,且生产成本较高,磷酸铁锂电池技术和应用已经遇到发展的瓶颈;锰酸锂电池能量密度低、高温下的循环稳定性和存储性能较差,因而锰酸锂仅作为国际第1代动力锂电的正极材料;而多元材料因具有综合性能和成本的双重优势日益被行业所关注和认同,逐步磷酸铁锂和锰酸锂成为主流的技术路线。三元材料的电芯代替了广泛使用的钴酸锂电芯,在笔记本电池领域广泛使用。
三元锂电池发展与磷酸铁锂电池相比的结果,其主要的特点就是企业单位进行电能比较大。但是对于三元锂电池的一个具有较大缺点是受到撞击和高温时起火点较低。所以对三元锂电池的保护环境要求不是很高,以防出现意外。
三元锂离子电池能量密度高,循环性能好于正常钻酸锂。目前,随着配方的不断改进和结构完善,电池的标称电压已达到3.7V,在容量上已经达到或超过钻酸锂离子电池水平。三元材料动力锂离子电池重要有镍钻铝酸锂离子电池、镍钻锰酸锂离子电池等,高温结构不稳定,导致高温安全性差,且pH值过高易使单体胀气,进而引发故障,现时条件下造价也不低。
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