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  • 鋰電池材料與安全特性
    深圳安泰和科技有限公司  2011-03-09 13:56:26

    目前鋰離子電池已成為手機、筆記本電腦等移動電子設備的基本配備電源,也已經開始應用于輕型電動車和混合電動汽車。然而,由于需求量飛速增長,鋰離子電池的成本問題日益凸現,由于電池能量密度的提高,電池安全性事故也時有報道。目前鋰離子電池行業即將發生結構上的重大調整,動力和儲能電池的產業化伴隨著材料、工藝和裝備向重大技術革新的方向發展。 -深圳市安泰和科技有限公司

      采用多種方法提高安全性

      電池的安全性涉及材料、電池設計、制造、應用諸多方面,單純變更正極材料并不能完全保障電池的安全性。僅主要材料方面就要慎重選擇負極材料、電解液和電池隔膜,如用作鋰離子電池的負極材料有碳材料、金屬氧化物和合金等,石墨材料仍然是當今鋰離子電池主要的負極材料,但其安全性能低于硬碳材料,而尖晶石鈦酸鋰負極材料具有更高的安全性能。采用可耐更高溫度的新型隔膜和加阻燃劑的電解液也是提高鋰離子電池安全性的技術手段。

      影響鋰離子電池安全性的主要因素有電池的電極材料、電解液以及制造工藝和使用條件等。一部手機用的鋰離子蓄電池的重量約20克,基本要求是發生安全事故的概率小于百萬分之一,這也是社會公眾所能接受的最低標準,實際情況是比千萬分之一還要小。電動自行車所用鋰離子電池組的重量為3公斤~4公斤,比手機大了100多倍,純電動小轎車將用到300公斤~400公斤的蓄電池,至于電動大巴或電動大貨車的電池重量將是1500公斤~2000公斤,更是“手機”的75000倍~100000倍。隨著電池容量的增加,出安全事故的可能性大幅度增加。因此,將鋰離子蓄電池做成動力電池,就必須提高其安全性能,單體電池愈大,要求達到的安全性指標也就愈高。如沿用手機電池常用的鈷酸鋰和石墨作為鋰離子動力電池的正負極材料,電池大型化后的安全性將無法得到保障。

      國內剛開始開展鋰離子電池電動車研發時,曾出現若干爆炸和燃燒事故,一個主要的原因是使用通常手機電池采用的鈷酸鋰作為電池的正極材料。當時尋找替代鈷酸鋰的正極材料以解決安全問題是動力型鋰離子電池研發人員最優先考慮的問題。我國高功率鋰離子電池安全問題在“十五”期間,得到了較好的解決。采用改性錳酸鋰材料降低了正極的氧化性,活性鋰的含量也比鈷酸鋰的低。日本批量生產的錳酸鋰電池單體容量不大,如公開報道的用于東京電力車3000輛的電池為216只13Ah的錳酸鋰電池。充電器

      磷酸鐵鋰做正極安全性更好

      就正極而言,磷酸鐵鋰(LiFePO4)充電態的熱穩定性高,對電解液的氧化能力低,具有更好的安全性,可以用來做更大的電池。LiFePO4理論容量為170 mAh/g,相對于金屬鋰電壓為3.5V,做成材料實際的可逆容量可以超過160 mAh/g。與其他材料相比,鋰離子在LiFePO4中的化學擴散系數較低,室溫下的電子電導也遠低于其他正極材料,需要通過減小材料尺寸、包覆導電劑等方法提高材料性能并實現應用,帶來的缺陷是密度低,電池體積偏大和電解液用量多。目前的研究熱點是發展磷酸鐵鋰新的合成方法和對材料進行改性來提高磷酸鐵鋰的綜合性能。

      最早的磷酸鐵鋰合成方式是J. B. Goodenough的固相反應法。該方法簡單方便,容易操作,缺點是合成的周期較長,產物的批次穩定性難以控制。如何在熱處理及粉體加工的過程中防止二價鐵的氧化是合成的關鍵控制點。目前有不少研發團隊開發出的碳熱還原法、共沉淀法、水熱法、噴霧熱分解法。

      目前國際上可以生產磷酸鐵鋰的企業有Valence、A123、Phostech等。國內正在進行磷酸鐵鋰產業化開發的企業也不少。據互聯網調查顯示,80%的國內知名鋰電池正極材料供應商都對外宣稱其在進行磷酸鐵鋰相關產品的研制與生產。與“國際職業選手”對比,從投入的研發力度與時間來看,還處于起步階段。

      比起其他的鋰電池材料,磷酸鐵鋰現在還是非常年輕的。有人說應用于電動工具的電池,有人說會應用于電動公交車的電池,初期的開拓是需要鼓勵的。

      日本在鋰離子電池領域具有壟斷地位,索尼、三洋電機、松下電池、NEC等著名公司都建有大規模鋰離子電池生產線,而且大多數制造商除了保持和擴大原有品牌的產量外,都在利用各自的優勢開拓鋰離子動力電池新產品。日本的新陽光計劃自1992年即啟動車用鋰離子動力電池開發計劃,投入研發資金超過10億美元,取得技術和工藝突破。豐田汽車日前開始批量生產車載鋰離子充電電池,用于2003年2月份上市的小型車“Vitz”的一部分型號,穩定性經受了市場的檢驗。日立、NEC、三菱等公司生產的鋰離子電池批量應用于電動汽車和混合電動汽車,富士重工業推出的為東京電力設計使用的錳酸鋰為正極材料的鋰離子電池電動汽車“R1e”,快速充電模式下,15分鐘可充滿80%,充電1次可行駛約80km。最大時速為100km/h。東京電力在2006年度內再導入30輛R1e。另外,在2007年度以后共計導入約3000輛?偟膩砜,日本仍然是動力電池技術領先的國家,其動力電池及其關鍵材料量產技術已經成熟,性能已幾乎滿足電動汽車需求。

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