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众所周知,以三元材料作为正极材料的动力锂电池近年来凭借其容量高、循环稳定性好、成本适中等重要优点,逐渐在动力电池行业中占据愈发重要的地位。
2015 年上海国际车展,在新能源汽车中,三元锂电池的占有率超过了磷酸铁锂电池成为一大亮点,包括吉利、奇瑞、长安、众泰、中华等大部分国内主流车企都纷纷推出采用三元动力电池的新能源车型。例如北汽EV系列、奇瑞eQ、艾瑞泽3EV、江淮iEV4、众泰云100、包括吉利帝豪EV等。那么究竟三元材料电池愈发强势的原因是什么呢?
在之前的文章《手把手带你认识锂离子电池》一文中有提到,锂离子电池的性能主要取决于其正极材料,而且锂离子电池也通常以正极材料来命名。市场上所说的三元材料电池大多是指以镍钴锰为正极材料的锂离子电池。
人们发现,镍钴锰三元正极材料中镍钴锰比例可在一定范围内调整,并且其性能随着镍钴锰的比例的不同而变化。因此,出于进一步降低钴镍等高成本过渡金属的含量,以及进一步提高正极材料的性能的目的,世界各国在镍钴锰三元材料的研究和开发方面做了大量的工作,提出了多个具有不同镍钴锰比例组成的三元材料体系,包括333,523, 811 体系等。一些体系已经成功地实现了工业化生产和应用。
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镍钴锰三元正极材料结构特征
镍钴锰三元材料通常可以表示为:LiNixCoyMnzO2 ,其中x+y+z=1。
依据3 种元素的摩尔比(x∶y∶z 比值)的不同,分别将其称为不同的体系,如组成中镍钴锰摩尔比(x∶y∶z)为1∶1∶1 的三元材料,简称为333 型;摩尔比为5∶2∶3 的体系,称之为523 体系等。
333 型、523 型和811 型等三元材料均属于六方晶系的α-NaFeO2 型层状岩盐结构,如图1。
图1 α-NaFeO2 型层状岩盐结构图
镍钴锰三元材料中,3 种元素的的主要价态分别是+2 价、+3 价和+4 价,Ni 为主要活性元素。其充电时的反应及电荷转移如下:
正极反应: LiMO2—→ Li1-xMO2 + xLi+ + xe-
负极反应: n C + x Li+ + x e- —→ LixCn
电池总反应: LiMO2 + n C —→ Li1-xMO2 + LixCn
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