了解RELION锂电池

2023-09-26

     直到 20 世纪 70 年代初,第一批不可充电锂电池才投入商用。20 世纪 80 年代,人们尝试开发可充电锂电池,但由于用作阳极材料的金属锂不稳定,该努力失败了。

     锂是所有金属中最轻的,具有最大的电化学势并提供最大的单位重量比能。阳极(负极)上带有锂金属的可充电电池可以提供极高的能量密度,但是,循环会在阳极上产生不需要的枝晶,这些枝晶可能会穿透隔膜并导致电气短路。电池温度会迅速升高并接近锂的熔点,导致热失控,也称为“火焰泄放”。

     锂金属固有的不稳定性,尤其是在充电过程中,使研究转向使用锂离子的非金属溶液。尽管比能量低于锂金属,但只要电池制造商和电池包装商遵循安全措施将电压和电流保持在安全水平,锂离子电池就是安全的。1991 年,索尼将第一款锂离子电池商业化,如今这种化学电池已成为市场上最有前途且增长最快的电池。与此同时,研究仍在继续开发安全的金属锂电池,希望使其安全。

     1994 年,生产容量为 1,100mAh 的 18650* 圆柱形锂离子电池的成本超过 10 美元。2001年,价格降至2美元,容量升至1,900mAh。如今,高能量密度18650电芯的容量已超过3000mAh,而且成本进一步下降。成本的降低、比能量的增加以及不含有毒物质,为使锂离子电池成为便携式应用普遍接受的电池铺平了道路,首先是在消费行业,现在也越来越多地在重工业,包括车辆的电动动力系统。

     2009 年,按收入计算,大约 38% 的电池是锂离子电池。锂离子电池是一种低维护电池,这是许多其他化学电池无法比拟的优势。电池没有记忆,不需要锻炼来保持形状。与镍基系统相比,自放电不到一半。这使得锂离子电池非常适合电量计应用。3.6V 的标称电池电压可以直接为手机和数码相机供电,与多电池设计相比,可实现简化并降低成本。缺点是价格高,但这种情况逐渐趋于平稳,尤其是在消费市场。

锂离子电池的类型

     与铅基和镍基结构类似,锂离子使用阴极(正极)、阳极(负极)和电解质作为导体。阴极是金属氧化物,阳极由多孔碳组成。放电时,离子通过电解质和隔膜从阳极流向阴极;电荷反转方向,离子从阴极流向阳极。图 1 说明了该过程。

图1:锂离子电池中的离子流

     当电池充电和放电时,离子在阴极(正极)和阳极(负极)之间穿梭。放电时,阳极发生氧化或失去电子,而阴极则发生还原或获得电子。电荷使运动反向。

     电池中的所有材料都具有理论比能,高容量和卓越功率传输的关键主要在于阴极。在过去 10 年左右的时间里,正极成为了锂离子电池的特征。常见的正极材料有钴酸锂(或钴酸锂)、锰酸锂(也称为尖晶石或锰酸锂)、磷酸铁锂、以及镍锰钴锂(或 NMC)** 和镍钴铝酸锂(或 NCA)。

     RRLION最初的锂离子电池使用焦炭作为阳极(煤炭产品),自 1997 年以来,大多数锂离子电池使用石墨以获得更平坦的放电曲线。阳极也得到了发展,并且正在尝试几种添加剂,包括硅基合金。硅的比能量提高了 20% 至 30%,但代价是负载电流降低和循环寿命缩短。纳米结构钛酸锂作为负极添加剂表现出良好的循环寿命、良好的负载能力、优异的低温性能和优越的安全性,但比能量较低。

     混合正极和负极材料可以让制造商增强内在品质;然而,某一领域的增强可能会损害其他领域。例如,电池制造商可以优化比能(容量)以延长运行时间,增加比功率以改善电流负载,延长使用寿命以延长使用寿命,并增强在恶劣环境下暴露的安全性,但是,更高容量的缺点是减少负载;高电流处理的优化降低了比能量,使其成为坚固的电池,具有长寿命和更高的安全性,增加了电池尺寸,并由于较厚的隔膜而增加了成本。据说隔膜是电池中最昂贵的部分。

     表 2 总结了不同正极材料的锂离子电池的特性。该表将化学成分限制为四种最常用的锂离子系统,并应用缩写形式来描述它们。NMC 代表镍-锰-钴,这是一种相对较新的化学物质,可以针对高容量或高电流负载进行定制。没有提及锂离子聚合物,因为这不是一种独特的化学物质,仅在结构上有所不同。锂聚合物可以通过多种化学方法制成,最广泛使用的形式是锂钴。