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三元物質(zhì)

三元聚合物鋰電池是采用鋰-鎳鈷三元正極材料制成的鋰電池，主要用鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。三元材料綜合了鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰三種材料的優(yōu)點，具有容量大、成本低、安全等優(yōu)良性能，在小型鋰電領域占有一定的市場份額，并在動力鋰電領域具有良好發(fā)展前景。

鈷金屬是鋰電池不可缺少的材料。但金屬鈷一方面價格高，一方面有毒性，不管是日韓技術領先企業(yè)還是國內(nèi)電池廠商，近年來都致力于電池“少鈷化”。隨著這一趨勢的發(fā)展，由鎳鹽、鈷鹽、錳鹽等三元材料生產(chǎn)的鎳鈷錳酸鋰逐漸被人們所重視。根據(jù)化學性質(zhì)，三元材料屬于過氧化性金屬氧化物，電池具有較高的能量密度。

雖然鈷對三元材料的作用仍然是不可或缺的，但是其質(zhì)量分數(shù)一般控制在20%左右，從而大大降低了成本。也兼有鈷酸鋰與鎳酸鋰之優(yōu)點。近幾年來，隨著國內(nèi)外廠商對三元材料正極材料鋰電池替代商用鈷酸鋰的發(fā)展趨勢日益明顯。

電動汽車、智能手機、可穿戴設備、充電寶等新技術的出現(xiàn)，這些新的技術完全適用。ModelS續(xù)航里程可達486公里，電池容量為85kWh，使用了8142節(jié)3.4AH的松下18650型電池，這是第一次將三元電池應用于電動車。電池組每個電池組均按一塊一塊地分布，最后形成一整塊電池組，電池組位于車體底部。

在世界范圍內(nèi)，三元材料的研究開發(fā)和生產(chǎn)是各方面不斷推進的。這一過程大大提高了材料的性能，并不斷擴大應用范圍。天，韓企業(yè)在三元材料電池的研究開發(fā)中處于領先地位。我國三元材料生產(chǎn)從2005年前后開始，至今已經(jīng)有十余家規(guī)模企業(yè)。

鐵鋰磷酸鹽

磷酸鐵鋰作為動力電池材料是近年來才出現(xiàn)的事情，我國還在2005年開發(fā)了大容量磷酸鐵鋰電池。它的安全性和循環(huán)壽命是其他材料無法比擬的，這正是動力電池最重要的技術指標。1C充放器循環(huán)壽命可達2000次。單節(jié)電池充電壓力為30V不燃燒，穿刺不爆炸。在電動汽車中，磷酸鐵鋰正極材料使大容量鋰離子電池易于串聯(lián)使用，滿足電動汽車頻繁充電的需要。

磷酸鐵鋰具有無毒、無污染、安全性能好、原料來源廣泛、價格低廉、使用壽命長等優(yōu)點，是新一代鋰離子電池理想的正極材料。磷酸鐵鋰電池也有自身的缺點，如磷酸鐵鋰正極材料的振動密度小，等容量磷酸鐵鋰電池比鈷酸鋰等鋰離子電池更大，因而在微電池上沒有優(yōu)勢。

磷酸鐵鋰材料本身的特性決定了它的低溫性能優(yōu)于其它正極材料如錳酸鋰。一般說來，就單個核心所測得的低溫性能而言，如果只有一個，而不是一個電池組，就在散熱條件方面所測到的較低溫度，它在0℃的時候容量保持率在60~70%左右，在-10℃的時候是40~55%,-20℃是20~40%。這種低溫性能顯然不能滿足電源的使用要求。目前部分廠家通過改進電解液體系、改進正極配方、提高材料性能、改進電芯結構設計等措施，可提高磷酸鐵鋰的低溫性能。

電池組有一致性問題。一款磷酸鐵鋰電池的使用壽命超過了2000次，但是電池的使用壽命卻很短，可能是500次。由于電池組是由一大批單電池串并組成的，它的工作狀態(tài)就像一群人用繩索綁在一起奔跑，即使每一個人都是短跑高手，如果每個人的動作一致性不高，隊伍就會跑不快，整體速度甚至比跑得最慢的單個選手的速度更慢。同理，電池只有當電池性能高度一致時，電池壽命才會接近單電池水平。

錳酸鋰

與傳統(tǒng)的正極材料如鈷酸鋰相比，錳酸鋰資源豐富、價格低廉、無污染，是一種很有發(fā)展前景的鋰離子正極材料。安全可靠，倍率性能好，是一種理想的動力電池正極材料，但是其不良的循環(huán)性能和電化學穩(wěn)定性極大地制約了其產(chǎn)業(yè)化。錳酸鋰主要由尖晶石型錳酸鋰和層狀結構錳酸鋰組成，其中尖晶石型錳酸鋰結構穩(wěn)定，易于工業(yè)化生產(chǎn)，目前市場上已采用這種結構。尖晶石型錳酸鋰是一種立方晶系，理論比容量為148mAh/g，由于其具有三維隧道結構，使得鋰離子在尖晶石格子內(nèi)可逆脫嵌，且不會造成結構塌陷，具有優(yōu)良的倍率性能和穩(wěn)定性。

目前錳酸鋰的能量密度較低，循環(huán)性能較差這一缺點已被普遍接受(萬力新能典型值為123mAh/g,400mAh/g，高循環(huán)型典型值107mAh/g,2000次)。改性和摻雜可以有效地改善其電化學性能，而表面修飾可以有效地抑制錳的溶解和電解分解。摻雜能有效地抑制充放電過程中的Jahn-Teller效應。這一研究結果表明，表面修飾和摻雜可以進一步改善該材料的電化學性能，是今后尖晶石型錳酸鋰改性研究的方向之一。