动力电池了解——603学研社草根作业

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其实人跟树是一样的,越是向往高处的阳光,它的根就越要伸向黑暗的地底。——尼采

这是一篇关于动力锂电池的学习贴(主要谈正极材料):
一、工信部《锂离子电池行业规范条件》提到:动力型电池分能量型和功率型,其中:
能量型单体电池能量密度≥130Wh/kg,电池组能量密度≥100Wh/kg,循环寿命≥1000次且容量保持率≥80%。
功率型单体电池功率密度≥3000W/kg,电池组功率密度≥2100W/kg,循环寿命≥2000次(其中电动自行车用电池组≥1000次,电动工具用电池组≥500次)且容量保持率≥80%;
而根据国务院《节能与新能源汽车产业发展规划》
到2015年,纯电动乘用车、插电式混合动力乘用车最高车速不低于100公里/小时,纯电驱动模式下综合工况续驶里程分别不低于150公里和50公里;动力电池模块比能量达到150瓦时/公斤以上,成本降至2元/瓦时以下,循环使用寿命稳定达到2000次或10年以上;电驱动系统功率密度达到2.5千瓦/公斤以上,成本降至200元/千瓦以下。到2020年,动力电池模块比能量达到300瓦时/公斤以上,成本降至1.5元/瓦时以下。
没错,动力电池模块150 W/kg,而目前市场上两种主流锂电池分别是:磷酸铁锂电池、三元锂电池,本别代表了中国主流模式和国外主流模式。

二、两种主流锂电池
磷酸铁锂电池LiFePO4:理论比容量为170mAh/g,在小电流0.1C充放电下实际比容量可以达到140mAh/g以上,并且结构不被破坏,与LiCoO2的比容量相当;碳包覆LiFePO4的壳-核结构具有优异的电化学性能,在0.6 C下放电容量为168 mAh/g,60 C下放电容量为90mAh/g。这也是至今报道在60C下的最高放电容量。循环1100次以上,放电容量只有5%的损失。这是单体电池较好的数据,实验室的,量产的水准在130~140 mAh/g,假如成电池组模块,则能量密度继续下降。据范未峰博士介绍,磷酸铁锂电池单体密度90~130 W/kg(成组后100W/kg)。 磷酸铁锂电池具有很多优点,这里不细说了。
磷酸铁锂电池算是比亚迪曾经的一张好牌,而现在国务院的规划,让比亚迪有点尴尬,能量密度基本触顶,再下去空间不大。比亚迪怎么破局?
根据最新了解到的信息,比亚迪在磷酸铁锂电池中加入了一个元素,锰Mn,而且磷酸铁锰锂电池已经量产,能量密度达到150Wh/kg,已经拥有了留在场上比赛的资格,
磷酸铁锰锂电池,比亚迪的爱,
如果非要在这份爱上加上一个期限,
希望是……一万年!
@@@## ¥%%…………#
对不起,我猜想时间应该是5年
为什么?
那么我们来看看这个电池。
磷酸铁锰锂电池:理论比容量大概也在170 mAh/g左右,磷酸锰铁锂电池能够试用略高一些的电压——4.1伏特,但是同时也会失去磷酸铁锂电池的优点,因此需要合适的控制成分比例。整体来说能量密度提高20%左右。也就是说比亚迪通过Mn的加入,继续拥有场上比赛资格,但是理论容量卡在哪里,天花板问题,那么未来的解决方案是怎么样呢,依据我的推测,可能继续加入某种金属元素,很可能这就是未来比亚迪的三元锂电池模式,待时间验证,个人推测而已。


三元锂电池能量容量现阶段在170,左右,实验数据最大右250,远远超过国务院的说到三元锂电池的话必然会想到特斯拉,特斯拉用的是镍钴铝酸锂电池,棒子有LG、SK;三元锂电池目前大致可细分为这种两种——镍钴铝酸锂、镍钴锰酸锂电池。
镍钴锰酸锂(NCM)电池理论容量在280 mAh/g,实际比容量160 mAh/g,
镍钴铝酸锂(NCA)电池理论容量 未查到,实际比容量170~200 mAh/g,
国内对两种材料的研究,镍钴铝酸锂电池正极材料振实密度在2.01~2.21 g/cm3,容量在170~189mAh/g,实验循环良好,中国对镍钴锰酸锂也有较为深入的研究,中南大学胡国荣教授主导的超细球磨喷雾干燥法可制作镍钴锰氧三元正极材料,容量在150.7~195 mAh/g,碳酸盐共沉淀法制备的容量比在172.8~252.4 mAh/g,具有优秀的衰竭性能,超细球磨法更合适量产。
有兴趣的可去看详细材料:网页链接
至于其他的锂电池,如钴酸锂,理论容量274 mAh/g,实际容量在155mAh/g,锰酸锂100~115 mAh/g,
钴元素的稀缺都知道的,大量使用价格会较高。

三、负极材料
虽说这主要是谈正极材料,但是也顺带把负极材料也简单介绍下:目前电池短板主要体现在正极材料,因此是重点,相对于正极材料,负极材料拥有足够的喘息时间,更别说负极材料也在快速发展,
譬如石墨:理论容量为372 mAh/g,实际应用300~350 mAh/g,首次库伦放电效率90%以上,可与LiClO2、LiNiO2、LiMnO4等正极材料匹配, 是目前锂离子电池中应用最多的负极材料。
化学包覆的天然石墨CPNG11,振实密度从0.61提到到0.87g/cm3,首次放电容量大倒338 mAh/g,循环效率86.4%,氧化改性后的天然石墨HONG的首次不可逆容量从52.9降低到38.8 mAh/g。可你放电容量保持在340 mAh/g以上,首次充放此案效率达到89.9%。
石墨烯:某种石墨烯可逆比容量(1132.9 mAh/g),300次循环后这个石墨烯的比容量仍然为556.9 mAh/g。而国内研究的代号为PGN900的材料(石墨烯材料)在500mA/g电流下的可逆容量达到了475 mAh/g,在5000mA/g电流下的可逆容量达到了230 mAh/g,1000周循环过程中, 表现出良好的循环性能。
Si-C硅碳复合物:
国外的研究,Yoshio 热分解苯在Si颗粒外包裹一层碳,可逆容量为737 mAh/g,首次库伦效率92.1%,50周后衰减很小;
Holzapfel 采用SiH4裂解,将纳米Si颗粒沉积在石墨颗粒上,硅含量为20%,首次放电容量150 mAh/g,充电容量1000 mAh/g,100周后可逆容量900 mAh/g。首次库伦效率74%,限制了商用;
采用不同于传统制备C/Si复合材料的方法,通过CVD方法沉积50纳米无定形的Si周期多孔的反蛋白结构碳基体,可逆容量2400 mAh/g,145周后容量保持率80%,通过CVD方法还可以制备C纳米纤维上沉积无定形的 Si从而制备C/Si核壳结构复合材料,可逆容量2000 mAh/g,循环性很好。
钛酸锂(负极材料:尖晶石型Li4Ti5O12)
固相法制备的Li4Ti5O12  Ge4+离子掺杂比为0.1时,周次放电容量为174.38 mAh/g,接近理论容量,20次循环保持156.86 mAh/g,保持率89.95%。采用凝胶法合成 未掺杂钛酸锂,比容量120 mAh/g.

以上可见负极材料容量甩开正极材料几条大街,硅碳复合材料,石墨烯硅碳复合材料前景很大,很大,很大!

四、隔膜、电解液
电池还剩什么?电解液、隔膜,也简单说下,
电解液:目前电解质有高氯酸锂(LiClO4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LIBF4)等,
其中六氟磷酸锂具有良好的导电性和电化学稳定性,是目前主流的电解质。 但六氟磷酸锂也存在两个缺陷:第一、热稳定性不佳;第二、对水分和氢氟酸(HF)敏感,容易发生分解反应。 虽然人们在努力寻找新的电解质,以期达到导电性、热稳定以及抗水性的较好结合,但目前为止仍未找到完全替代六氟磷酸锂的电解质。
隔膜:当前,常用的隔膜材料主要为聚烯烃类的聚乙烯或聚丙烯,此类高分子材料作为电池隔膜有其自身的优势,如优异的电绝缘体,能阻止由电子的穿透导致电池容量的下降,性能稳定,优良的加工性能等。字数不多,但千万别小看隔膜,在锂电池中所占成本可不小,记得好像是20~30%。


好了大致如此,(他懂是别人懂,自己懂才是真懂,这是花精力去学习根本原因)
附:603学研社同类研究而学习贴,@道法自然不执著 
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备注说明:以上资料信息仅为学习练*用。


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全部讨论

为女儿奋斗2016-11-24 16:47

动力电池

风清云开2016-04-14 01:03

: 是缩氨酸电池,缩氨酸原来是用在化妆品上的@benjm-修

图灵的Colossus2016-04-04 22:49

是缩氨酸电池,缩氨酸原来是用在化妆品上的@benjm-修

依然困惑2016-03-26 14:54

FY自由之路2015-12-17 22:06

学习

我的兄弟叫弥勒2015-10-27 16:48

关于电池技术的研究帖

bimj2015-10-03 07:42

学习

梅山搬运工2015-04-11 19:32

探路者的研习笔记2015-04-11 19:28

呵呵,没问题,先收集资料

梅山搬运工2015-04-11 19:25

做了发出来吧,嘿嘿