锂电池材料主要包括以下几类:
一、正极材料
1. 钴酸锂(LCO):
在常温下为黑色固体,是一种无机化合物。
具有性能稳定、合成简单方便、高的电化学性能和循环寿命等特性。
是锂离子电池比较理想的,首个成功商业化的锂离子电池正极材料,目前主要用于3C电池领域。
2. 锰酸锂(LMO):
黑灰色粉末,应用于锂电池时具有立方尖晶石晶体结构,含有三个锂离子空间传输通道。
与其他正极材料相比,锰酸锂正极材料具有更高的离子扩散速率,适合需要高倍率充电的锂离子电池。
3. 磷酸铁锂(LFP):
具有橄榄石型结构,不含有钴、镍等贵重元素,原料价格较低,且磷、铁、锂在地壳中资源丰富。
工作电压适中(3.2V)、比容量高(170mA·h/g),放电功率大,可快速充电,且循环寿命长。
在高温与高热环境下的稳定性好。
4. 三元材料:
主要包括镍钴锰酸锂(NCM)和镍钴铝酸锂(NCA)。
在LiCoO2基础上,用Ni和Mn(或Al)取代部分Co而得到的一种新材料。
既继承了LiCoO2的稳定性,又继承了LiNiO2的高可逆容量,还继承了LiMnO2(或LiAlO2)高安全性等优点。
相较于钴酸锂,三元材料中Co的成分降低,使得成本降低。
是目前最具有广阔发展前景的新型锂离子电池正极材料之一。
二、负极材料
1. 石墨材料:
具有较高的导电性、较高的能量密度、良好的化学稳定性和较低的制造成本等特点。
分为天然石墨和人造石墨两种,是目前应用最多的负极材料。
2. 硬碳材料:
经高温处理后不会石墨化的碳,内部晶体排列无序、层间距大。
在同等体积下可以储存更多的电荷,提高了电池的能量密度和续航能力。
3. 软碳材料:
在2500℃以上容易石墨化的碳,有序度较高。
有低而平稳的充放电电位平台,具备充放电容量大且效率高、循环性能好的优点。
4. 钛酸锂:
白色粉末状,具有较高锂离子脱嵌电位(1.55V vs Li/Li+)。
作为电极材料使用时具有较高安全性,且为“零应变”电极材料,理论上有无限长的循环寿命。
5. 硅基材料:
主要分为纳米硅和氧化亚硅,对应硅基负极的两条路线是硅碳负极和硅氧负极。
具有非常高的比容量和比能量密度,理论上硅材料的比容量是碳材料的10倍以上,比能量密度也高出5倍左右。
被认为是蕞具潜力的下一代锂电池负极材料。
三、电解液与电解质
1. 电解液:
是化学电池、电解电容等使用的介质,为它们的正常工作提供离子。
通常具有一定的腐蚀性。
2. 固态电解质:
一种固体离子导体电解质,是固态电池的特征分量。
可用于代替在锂离子电池中发现的液体电解质,增加安全性(如无有毒有机液体泄漏、低易燃性、不挥发等),提高机械和热稳定性、易加工性、低自放电率,以及可实现的更高功率密度和可循环性。
四、其他辅助材料
1. 粘结剂:
有聚偏氟乙烯(PVDF)和丁苯橡胶(SBR)等。
PVDF可用于正极和负极,SBR通常用于负极。
具有优异的化学稳定性、耐腐蚀性、粘结性能、机械性能和加工性。
2. 导电剂:
在锂电池中是一种为了保证电极具有良好充放电性能的试剂。
在活性物质之间、活性物质与集流体之间收集微电流,之后将微电流汇集在集流体上形成大电流。
可减小电极的接触电阻,加快电子移动速率和锂离子在电极材料中的迁移速率,提高电子电导率,从而提高电极的充放电效率。
常用的导电剂有炭黑、气相生长碳纤维(VGCF)和碳纳米管(CNT)等。
3. 隔膜:
锂电池内部采用螺旋绕制结构,用一种非常精细而渗透性很强的聚乙烯薄膜隔离材料在正、负极间间隔而成。
通过添加粉体涂层的方式对隔膜进行改性,可以提高其性能。
改性隔膜也是含有粉体材料的,如氧化铝(Al2O3)、勃姆石(AlOOH)、二氧化钛(TiO2)等。
综上所述,锂电池材料种类繁多,每种材料都有其独特的性能和应用场景。在实际应用中,需要根据具体需求选择合适的材料组合,以达到蕞佳的电池性能。
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