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锂电池,锂离子电池,电池容量越高就越好吗?

来源:宝鄂实业    2019-04-16 12:06    点击量:
不同型号(特别是不同体积)的电池,它的容量越高,提供使用的时间越长。抛开体积和重量的因素,当然容量越高越好。
 
但是同样的电池型号,标称容量(比如600mAh)也相同,实际测的初始容量不同:比如一个为660mAh,另一个是605mAh,那么660mAh的就比605mAh的好吗?
 
实际情况可能是容量高的是因为电极材料中多了增加初始容量的东西,而减少了电极稳定用的东西,其结果就是循环使用几十次以后,容量高的电池迅速容量衰竭,而容量低的电池却依然坚挺。许多国内的电芯厂家往往以这个方式来获得高容量的电池。而用户使用半年以后待机时间却是差得一塌糊涂。
 
民用的那些AA镍氢电池(就是五号电池),一般是1400mAh,却也有标超高容量的(1600mAh),道理也是一样。
 
提高容量的代价就是牺牲循环寿命,厂家不在电池材料的改性上下文章,是不可能真正“提高”电池容量的。随着动力电池能量密度的不断提升,传统的三元材料NCM622逐渐无法满足高能量密度动力电池的设计需求,因此Ni含量更高的NCM811材料的应用逐渐普及,我们知道在三元材料NCMNCA材料中Ni的含量直接决定了材料的可逆容量,这主要是因为在充放电过程中Ni有两个价态变化:Ni2+Ni3+,以及Ni3+Ni4+,因此当Ni的含量达到0.8NCM材料的可逆容量能够达到190-200mAh/g,基本满足300Wh/kg高比能电池的设计需求。然而人们对高比能动力电池的追求是永无止境的,例如美国提出的“Battery 500”计划,就是要开发出能量密度达到500Wh/kg以上的下一代锂离子电池,因此人们也在不断的对容量更高的正极材料进行研究,例如推出Ni含量达到0.9NCANCM,以及NCMA材料1,使得正极材料的可逆容量达到220mAh/g以上。

 

然而,通过提高Ni含量提高正极材料的容量方法并不能够彻底解决正极材料容量偏低的问题,这主要是因为随着Ni含量的增加,会导致高Ni材料的稳定性变差:一方面高氧化性的Ni4+会引起正极/电解液界面的稳定性降低,引起电解液的氧化分解;另一方面Ni含量的提高还会造成材料自身的结构稳定性变差,导致材料的循环性能加速衰降,这些因素都限制了三元材料中的Ni继续提高。

 

由于上述因素的限制,目前高镍材料可逆容量的提升已经逐渐进入了一个瓶颈期,那么继续提升正极材料可逆容量的路在何方呢?要解答这个问题我们就首先需要了解锂离子电池的工作原理,我们知道在锂离子电池充电的过程中Li+会从正极脱出,经过电解液扩散后到达负极表面,嵌入到石墨负极之中,为了维持电荷的中性环境,因此正极还要给出一个电子,经过外电路到达负极的表面,而如何给出这个电子恰恰是影响正极材料容量的关键。通常正极材料中的过渡金属元素对外层电子的束缚较弱,因此更容易给出电子,例如NCM材料中的Ni元素从Ni3+转变为Ni4+就是由于充电的过程中Ni元素提供了一个电子,过渡金属元素提供电子的好处是可逆性强,因此材料的循环性能通常也比较优良。但是,过渡金属元素提供电子也存在一个严重短板——过渡金属元素原子序数通常比较大,因此也就导致正极材料的比容量通常比较低。