鉅大LARGE | 點擊量:1092次 | 2022年03月07日
鋰電池能量密度及其提升方式
鋰離子電池是目前便攜移動設(shè)備的主要動力電源,在ITC(通訊信息電子)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展背景下,其需求量也呈穩(wěn)步增長態(tài)勢。這兩年來,各國政府發(fā)展新能源和低碳經(jīng)濟(jì)的政策更是使得鋰離子電池的市場容量出現(xiàn)激增。然而,伴隨更大功率鋰電池需求增長的問題是:如何使鋰電池在現(xiàn)有體積下釋放出更多的能量,或者說,釋放同樣的能量而可以做到體積更小。這涉及到鋰離子電池下一步能有多大的發(fā)展空間。也可以把這個問題轉(zhuǎn)化為如何提高鋰電池的能量密度。
鋰離子電池的能量密度在數(shù)值上等于鋰電池放電電壓和容量的乘積,但這只是個約數(shù),實用中的鋰離子電池能量密度取決于正極材料的能量密度和負(fù)極材料的能量密度以及它們之間的匹配程度。
現(xiàn)有的鋰離子電池負(fù)極材料多以石墨為主,石墨的單位容量為400mAh/g,相對于石墨,鋰電池正極材料的單位容量則少得多,如鈷酸鋰正極材料為140mAh/g;磷酸鐵鋰正極材料高些,為160mAh/g。根據(jù)木桶理論,水位的高低決定于木桶最短處,那么,鋰電池的能量密度也更多地決定于負(fù)極材料。這就是鋰離子電池是以正極材料而不是負(fù)極材料分類的原因。那么,又如何提高正極材料的能量密度呢?
由前述鋰離子電池能量密度的導(dǎo)出可知,要么提高容量(制作大容量鋰電池仍是目前鋰離子電池研發(fā)的主要方向),要么提高放電電壓,或者二者同時提高。又因為正極材料的容量更低,因此,在正極材料上著手提高放電電壓成為提高容量之外的又一個途徑。
對于插電式混合動力車和純電動汽車而言,后者要求鋰離子動力電池能夠儲存和釋放更高的能量,具有更長的循環(huán)壽命。從目前最好的鋰動力電池來看,豐田普瑞斯的混合動力車使用鋰電池作為輔助動力,每加侖汽油可以行駛約50英里,而IBM發(fā)起的“電池500”項目則要求電池一次充電后的續(xù)航能力要達(dá)到500英里,折算成所需電量為125KWh。純電動汽車對一次充電續(xù)航能力的要求必然呼喚新一代電池正極材料的出現(xiàn)。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
目前,通過改善電壓的方式所能選擇的鋰電池正極材料有兩類。一類是類尖晶石晶體結(jié)構(gòu)LiNi0.5Mn1.5O4;另一類是類橄欖石晶體結(jié)構(gòu)LiCoPO4。這兩類材料都具有開發(fā)出5V高電壓正極材料的潛力。目前的鈷酸鋰材料相對鋰離子電極的放電電壓約為4V,若電壓提高到5V,則可以使電池能量密度提高25%;而磷酸鐵鋰電池正極材料相對于鋰離子電極的放電電壓更低,約為3.6V,如果電壓提高到5V,則能量密度的提升將更為可觀。