究竟什么决定了锂电池正极材料的安全性？
来源：宝鄂实业
2019-05-04 23:21
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正极材料的安全性，能量密度和功率密度是当前不同车型对锂电池类型做出取舍的基本依据。正极材料决定了锂电池的能量密度、寿命和安全性等指标，占锂电池成本的30%左右。
什么决定了锂电池正极材料的安全性？
一般的正极材料，锂离子含量都会大于负极材料离子容量，目的是提高锂电池的功率特性和循环性。材料的热稳定温度越高，说明材料的氧化能力越弱，材料越安全，确保正极材料与电解液不发生反应的因素主要依靠正极材料自身的热稳定性和与电解液的相容性。
◆电芯能量密度
每种锂电池正极材料都有其理论能量密度，选择了一种正极材料，就选择了电芯能量密度的上限。正极材料的用量设计和加工制作过程中的振实密度也对电芯成品的能量密度产生影响。
◆电芯功率密度
不同的正极材料种类，决定了锂电池充放电功率的大体范围。材料的一些细节，作为辅助因素，也会对功率特性造成影响。比如，正极材料的晶体结构稳定性，颗粒尺寸，掺杂原子，碳包覆工艺，材料的制备方法等。以上因素最终都是通过影响正极材料容纳锂离子的能力和脱嵌嵌入通道的通畅性来影响锂电池的功率密度。
◆电芯循环寿命
影响锂电芯循环寿命的因素很多，与正极材料相关的，主要有正极材料活性物质在循环使用中的损耗，以及充放电过程中，材料结构的崩坏引发的正极容纳锂离子能力的衰减。而正极材料中的杂质成分，比如单质铁和三价铁，都会与电解液相互作用，产生不良副反应，或者造成内部微短路。
锂电池对正极材料的基本要求
第一，材料自身电位高，这样才能与负极材料之间形成较大的电位差，带来能量密度高的电芯设计；同时带电离子嵌入脱出对电极电位影响小，则充放电过程，不会有过大的电压波动，不会给系统内的其他电气带来不利影响。
第二，材料含锂量高且锂离子嵌入脱嵌可逆。这是高容量的前提。有些正极材料，理论容量很高，但是有一半的锂离子，第一次嵌入以后就失去了活性。这样的材料，是无法投入商用的。
第三，锂离子扩散系数大，锂离子在材料内部的移动更迅速，嵌入和脱嵌的能力强。是影响电芯内阻的因素，也是影响功率特性的因素。
第四，材料比表面积大，有大量的嵌锂位置。表面积大，锂离子的嵌入通道相对较短，则嵌入和脱嵌更容易。通道浅的同时，嵌锂位置还要充足。
第五，与电解液的相容性和热稳定性好，这点是出于安全性考虑。锂电池正极材料与电解液不容易发生反应，以及在较高温度下依然结构稳定并且仍然不易与电解液反应。这样的材质，不会为电芯额外的热积累提供热量，可以减少电芯进入自生热阶段的概率。
第六，材料易得，且加工性能好。成本低，材料容易加工成电极，且电极结构稳定，是材料得到推广应用的有利条件。
锂电池正极材料价格趋势
说到锂电池正极材料价格,我们第一个会想到的就是锂电池价格,其实锂离子正极材料价格占比锂电池中的重要一环,经过计算,预计锂电池正极材料价格占比约25%~35%之间,根据不同的公司不同的配比,其比例也不尽相同。
电力系统结构日益复杂，调节能力亟待提升。目前我国的电力系统建设已经取得了重大的发展成就,尤其是UPS电源和锂电池的使用更是在电力系统中得到了广泛的应用。电力专用UPS通过RS232/RS485、无源接点、电量变送器将UPS的工作状态和数据实时的传输到DCS系统，实现智能监控，具有双变换在线式、零转换功能。
电力系统对UPS电源提出了哪些要求？
可靠性要求：
由于电厂对设备的高可靠性的要求，因而对UPS电源的可靠性和使用寿命有非常高的要求。防雷要求比较高，一般要求二级防雷。
负载类型：
由于电厂的分散控制系统负载大多数为单相负载，单相负载配电线路简单、维护方便。因此电厂专用的UPS电源大多数要求为三相输入/单相输入、单相输出的中小型功率UPS，容量一般在60kVA范围之内。
交流输入要求：
由于厂用电电压波动范围比较宽，谐波电压比较大，要求UPS的输入范围比较宽。由于电厂要求交流电和直流电隔离，因此UPS输入、输出均必须配置隔离变压器。一般电厂厂用电的质量比较差，所以其对UPS的输入THDi并没有特别高的要求。
旁路要求：
静态切换开关应具有自动、手动两种工作方式，实现无间断切换。为了提高旁路运行模式下的供电的质量，去除干扰和市电波动的影响。旁路一般需要增加隔离稳压器，主要起隔离和稳压的作用。一般还需要维修旁路，维修UPS时，维修旁路供电，需要能把UPS柜完全从供电系统中断开，开关的操作必须保证输出不断电。
直流系统：
由于电厂有220V（187~253V，额定为18节12伏蓄电池）或110V（93~126V，额定为9节12伏蓄电池）直流系统;电厂为了节约成本，此直流系统直接作为UPS电源直流输入;电厂有专门的电力直流操作屏给蓄电池充电;要求UPS直流输入电压为220V或110V，且不要求UPS具有充电功能。常规UPS工作所配的电池组是单独使用的，其直流输入端的反灌杂讯较大，如果蓄电池直接并入UPS的BUS中，UPS会对蓄电池上产生较大的电磁干扰，严重时会影响直流系统的正常运行，而电力专用UPS的直流输入端一般要求装有反灌杂讯抑制器，如逆止二极管等，使UPS对直流母线的影响极小。
通信要求：
UPS电源主机需要提供RS232和RS485接口，UPS运行状态和主要报警信号应能提供无源干接点，主要运行状态和报警信号一般包括：
A）UPS的工作状态：UPS工作/电池供电/旁路供电;
B）各种装置的综合故障信号;
C）交流进线断路器状态/直流开关的状态;需要提供开关的辅助触点。
D）馈线开关的状态，一般需要提供开关的辅助触点和报警触点。
E）UPS的输出电压、电流及频率应通过变送器转换为4～20mA模拟量信号，以便可直接送入电厂的分散控制的模拟量采样系统中。
锂电池系统在电力系统中的应用和意义
1、提高电力系统的可靠性和安全性。大型锂电池装置可以方便地协调有功功率和无功功率。这种方式实现了电网的快速控制，可以支撑电网的电压和频率，减少了区域振荡，因而可以改善电网的动态和静态特性。
2、显著提高电能质量和供电稳定性。电能质量直接影响用户和用电设备的工作，对电网的经济运行具有重要意义。配电系统电能质量的主要问题包括电压降，浪涌电压和电压波动等问题。利用锂电池储能系统和电力电子技术，可以快速平衡系统中的不平衡功率，有效改善电压波动和波形失真，从而提高电能质量水平。此外，锂电池系统还可以作为应急电源使用，以确保不间断电力供应。
3、支持新能源发电并作为分布式电源灵活输电。建立大规模储能技术与新能源发电机组结合形成联合运行机构是解决新能源发电技术规模化入网的有效解决方案。这都表明，大型锂电池系统在未来的电力系统建设中扮演着非常重要的角色。
电力系统正在向大规模发展，负载构成越来越复杂。这些因素使得电力系统的稳定性面临严峻挑战。锂电池具有寿命长，成本低，效率高的特点。它已被用于移动通信，电气工程，航空航天等领域。锂电池技术的代表已经从电池的小容量发展到系统结构的规模。它是解决现代电力系统挑战的有效途径。
什么决定了锂电池正极材料的安全性？
一般的正极材料，锂离子含量都会大于负极材料离子容量，目的是提高锂电池的功率特性和循环性。材料的热稳定温度越高，说明材料的氧化能力越弱，材料越安全，确保正极材料与电解液不发生反应的因素主要依靠正极材料自身的热稳定性和与电解液的相容性。
◆电芯能量密度
每种锂电池正极材料都有其理论能量密度，选择了一种正极材料，就选择了电芯能量密度的上限。正极材料的用量设计和加工制作过程中的振实密度也对电芯成品的能量密度产生影响。
◆电芯功率密度
不同的正极材料种类，决定了锂电池充放电功率的大体范围。材料的一些细节，作为辅助因素，也会对功率特性造成影响。比如，正极材料的晶体结构稳定性，颗粒尺寸，掺杂原子，碳包覆工艺，材料的制备方法等。以上因素最终都是通过影响正极材料容纳锂离子的能力和脱嵌嵌入通道的通畅性来影响锂电池的功率密度。
◆电芯循环寿命
影响锂电芯循环寿命的因素很多，与正极材料相关的，主要有正极材料活性物质在循环使用中的损耗，以及充放电过程中，材料结构的崩坏引发的正极容纳锂离子能力的衰减。而正极材料中的杂质成分，比如单质铁和三价铁，都会与电解液相互作用，产生不良副反应，或者造成内部微短路。
锂电池对正极材料的基本要求
第一，材料自身电位高，这样才能与负极材料之间形成较大的电位差，带来能量密度高的电芯设计；同时带电离子嵌入脱出对电极电位影响小，则充放电过程，不会有过大的电压波动，不会给系统内的其他电气带来不利影响。
第二，材料含锂量高且锂离子嵌入脱嵌可逆。这是高容量的前提。有些正极材料，理论容量很高，但是有一半的锂离子，第一次嵌入以后就失去了活性。这样的材料，是无法投入商用的。
第三，锂离子扩散系数大，锂离子在材料内部的移动更迅速，嵌入和脱嵌的能力强。是影响电芯内阻的因素，也是影响功率特性的因素。
第四，材料比表面积大，有大量的嵌锂位置。表面积大，锂离子的嵌入通道相对较短，则嵌入和脱嵌更容易。通道浅的同时，嵌锂位置还要充足。
第五，与电解液的相容性和热稳定性好，这点是出于安全性考虑。锂电池正极材料与电解液不容易发生反应，以及在较高温度下依然结构稳定并且仍然不易与电解液反应。这样的材质，不会为电芯额外的热积累提供热量，可以减少电芯进入自生热阶段的概率。
第六，材料易得，且加工性能好。成本低，材料容易加工成电极，且电极结构稳定，是材料得到推广应用的有利条件。
锂电池正极材料价格趋势
说到锂电池正极材料价格,我们第一个会想到的就是锂电池价格,其实锂离子正极材料价格占比锂电池中的重要一环,经过计算,预计锂电池正极材料价格占比约25%~35%之间,根据不同的公司不同的配比,其比例也不尽相同。
电力系统结构日益复杂，调节能力亟待提升。目前我国的电力系统建设已经取得了重大的发展成就,尤其是UPS电源和锂电池的使用更是在电力系统中得到了广泛的应用。电力专用UPS通过RS232/RS485、无源接点、电量变送器将UPS的工作状态和数据实时的传输到DCS系统，实现智能监控，具有双变换在线式、零转换功能。
电力系统对UPS电源提出了哪些要求？
可靠性要求：
由于电厂对设备的高可靠性的要求，因而对UPS电源的可靠性和使用寿命有非常高的要求。防雷要求比较高，一般要求二级防雷。
负载类型：
由于电厂的分散控制系统负载大多数为单相负载，单相负载配电线路简单、维护方便。因此电厂专用的UPS电源大多数要求为三相输入/单相输入、单相输出的中小型功率UPS，容量一般在60kVA范围之内。
交流输入要求：
由于厂用电电压波动范围比较宽，谐波电压比较大，要求UPS的输入范围比较宽。由于电厂要求交流电和直流电隔离，因此UPS输入、输出均必须配置隔离变压器。一般电厂厂用电的质量比较差，所以其对UPS的输入THDi并没有特别高的要求。
旁路要求：
静态切换开关应具有自动、手动两种工作方式，实现无间断切换。为了提高旁路运行模式下的供电的质量，去除干扰和市电波动的影响。旁路一般需要增加隔离稳压器，主要起隔离和稳压的作用。一般还需要维修旁路，维修UPS时，维修旁路供电，需要能把UPS柜完全从供电系统中断开，开关的操作必须保证输出不断电。
直流系统：
由于电厂有220V（187~253V，额定为18节12伏蓄电池）或110V（93~126V，额定为9节12伏蓄电池）直流系统;电厂为了节约成本，此直流系统直接作为UPS电源直流输入;电厂有专门的电力直流操作屏给蓄电池充电;要求UPS直流输入电压为220V或110V，且不要求UPS具有充电功能。常规UPS工作所配的电池组是单独使用的，其直流输入端的反灌杂讯较大，如果蓄电池直接并入UPS的BUS中，UPS会对蓄电池上产生较大的电磁干扰，严重时会影响直流系统的正常运行，而电力专用UPS的直流输入端一般要求装有反灌杂讯抑制器，如逆止二极管等，使UPS对直流母线的影响极小。
通信要求：
UPS电源主机需要提供RS232和RS485接口，UPS运行状态和主要报警信号应能提供无源干接点，主要运行状态和报警信号一般包括：
A）UPS的工作状态：UPS工作/电池供电/旁路供电;
B）各种装置的综合故障信号;
C）交流进线断路器状态/直流开关的状态;需要提供开关的辅助触点。
D）馈线开关的状态，一般需要提供开关的辅助触点和报警触点。
E）UPS的输出电压、电流及频率应通过变送器转换为4～20mA模拟量信号，以便可直接送入电厂的分散控制的模拟量采样系统中。
锂电池系统在电力系统中的应用和意义
1、提高电力系统的可靠性和安全性。大型锂电池装置可以方便地协调有功功率和无功功率。这种方式实现了电网的快速控制，可以支撑电网的电压和频率，减少了区域振荡，因而可以改善电网的动态和静态特性。
2、显著提高电能质量和供电稳定性。电能质量直接影响用户和用电设备的工作，对电网的经济运行具有重要意义。配电系统电能质量的主要问题包括电压降，浪涌电压和电压波动等问题。利用锂电池储能系统和电力电子技术，可以快速平衡系统中的不平衡功率，有效改善电压波动和波形失真，从而提高电能质量水平。此外，锂电池系统还可以作为应急电源使用，以确保不间断电力供应。
3、支持新能源发电并作为分布式电源灵活输电。建立大规模储能技术与新能源发电机组结合形成联合运行机构是解决新能源发电技术规模化入网的有效解决方案。这都表明，大型锂电池系统在未来的电力系统建设中扮演着非常重要的角色。
电力系统正在向大规模发展，负载构成越来越复杂。这些因素使得电力系统的稳定性面临严峻挑战。锂电池具有寿命长，成本低，效率高的特点。它已被用于移动通信，电气工程，航空航天等领域。锂电池技术的代表已经从电池的小容量发展到系统结构的规模。它是解决现代电力系统挑战的有效途径。
