动力锂离子蓄电池的应用现状和其发展方向.doc

动力锂离子蓄电池的应用现状及其发展方向 东方汽车网 ? 2012-12-11 17:18:18 作者:撰文／上海卡耐新能源有限公司 和祥运 于洪涛 李天勇 陈中军 魏玉宇 来源:《汽车与配件》12年NO.50 文字大小:[大][中][小] ??? 锂离子蓄电池是一种新型的能源体系，具有高电压、高能量密度、循环性能好、自放电小、无记忆效应等优点，广泛应用于手机、笔记本电脑等各种便携式仪表和工具，在电动汽车领域也具有良好的应用前景。随着电动车的发展，对车用二次蓄电池性能提出了越来越高的要求，而现有蓄电池性能在能量密度、功率密度、经济性(成组使用寿命)和温度性能等方面与市场需求存在较大差距，是电动汽车市场化发展的瓶颈，迫切需要发展基于能量密度和功率密度高、温度特性好、使用寿命长的新材料和新技术的二次蓄电池新体系。磷酸铁锂、锰酸锂、钛酸锂和三元材料动力蓄电池在功率、安全性和能量密度等方面具有各自独特的特性，随着研究的深入，磷酸铁锂、锰酸锂、钛酸锂和三元材料动力蓄电池整体技术取得了较大进步，加快了电动车的市场化进程，但由于其材料制备、蓄电池生产工艺及成组设计等技术还不够成熟，有较多难题需要进一步克服，特别是蓄电池成组后的一致性和需求差距较大，虽然单体电池性能优异，但成组性能较差，应用问题突出，动力蓄电池包能量密度、功率密度等参数达不到单体电池性能的设计水平，使用寿命较单体电池缩短几倍甚至几十倍，导致系统的维护和使用成本增加。 ? ??? 本文通过不同类型锂离子的蓄电池性能和应用现状进行比较，探讨了不同类型锂离子动力蓄电池的适用范围和成组性能等方面的差别和特点，并以三元材料动力蓄电池(NMC)的特点和国内外的应用现状，探讨了动力锂离子蓄电池未来发展的方向，为锂离子蓄电池的发展提供借鉴。 几种常见动力锂离子蓄电池特性 ? ??? 锂离子动力蓄电池要求其正极材料体系具有能量密度大、功率密度高、循环寿命长、安全性能高、绿色环保和价格低的特性。由于动力蓄电池储存的能量大，易引发起火、爆炸等事故，因此，安全性能是评价动力蓄电池正极材料优劣的最关键指标之一。 ? ??? 磷酸铁锂(LiFePO4)的安全性和循环性在各类动力蓄电池正极材料中较好，在国内动力蓄电池中备受关注。其结构中的PO3-阴离子基团具有三维网格结构，使LiFePO4的热稳定性和结构稳定性极佳。但LiFePO4的电子电导率和离子电导率低，蓄电池的倍率性能特别是低温倍率性能较差，此外LiFePO4较低的工作电压平台，较低的振实密度，导致材料的能量密度较低，体积能量密度较低。LiFePO4材料合成条件较为苛刻，生产控制工艺复杂，产品品质的一致性控制难度大，其材料制备和蓄电池生产工艺等技术还不够成熟，有很多难题需要进一步克服，在蓄电池的一致性方面和需求差距较大，虽然单体电池性能优异，但成组性能应用问题突出，动力蓄电池包能量密度、功率密度等参数达不到单体电池设计水平，使用寿命较单体电池缩短几倍甚至几十倍，导致系统维护和使用成本增加，能量密度和一致性的难题是制约磷酸铁锂锂离子蓄电池在电动车应用的瓶颈。 ? ??? 锰酸锂(LiMn2O4)具有安全性好、价格低、合成容易与制造工艺成熟等优势。并且其材料具有较高的工作电压平台(3.6V)。但LiMn2O4突出的不足是高温性能不佳和能量密度低。Mn在其中的价态是3+，根据晶体场理论，Mn3+是不稳定的价态，在充放电过程中易从层状结构向尖晶石结构转变，导致其循环性能差，特别是高温下容量衰减快的问题不易得到有效解决，在50℃以上高温循环，材料容量衰减快，循环性能差，限制了LiMn2O4动力蓄电池的大规模应用。此外，LiMn2O4比容量不高，理论比容量148mAh/g，实际比容量约120mAh/g，不仅低于镍钴锰三元材料，也低于LiFePO4。经过近几年的研发和改进，其高温性能也得到较大改进和提高，但其能量密度与电动车的需求存在较大差距，是限值其在电动车和其它领域应用的瓶颈。 ? ??? 镍酸锂(LiNiO2)正极材料虽然价格低、可逆容量高、电化学窗口宽，但该材料的合成工艺难以控制，易产生阳离子混排，形成非化学计量比产物，充放电过程中不可逆相变的发生以及高温条件下析氧放热反应的发生，造成其安全性差，这些问题是制约这种材料实用化的瓶颈，为了克服这些缺陷，人们从掺杂改性和制备方式等方面进行了大量研究，认为LiNi1-x-yCoxMyO2及LiNi1-x-yCoxMnyO2三元正极材料最有发展潜力，是国内外研发的热点。 ? ??? LiNi1-x-yCoxMyO2(M=Al，Mg，Ti)三元体系中，以LiNi1-x-yCoxAlyO2开发较为成熟。镍钴铝与镍钴锰具有相同的层状结构，材料中镍的比重远大于钴和铝，常用的Ni∶Co∶Al比例为8