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如何提高电池能量密度?且看NCA正极材料

来源: | 作者:admin | 分类:新闻 | 时间:2016-06-30 | 浏览:2242
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(文/寻风)随着松下采用新型正负极材料,18650型电池的容量先后增加到了3.4Ah和4.0Ah,体积能量密度则分别提高到了730和800Wh/L。

  因此率先进行产品性能提升和下一代产品技术积累的公司,将有望在未来市场竞争中取得技术优势。

  如何提高提高能量密度

  目前提高锂离子电池能量密度的途径有以下几种:

  1.减薄壳体,集流体,隔膜,增加电极压实密度,减少粘结剂和导电剂使用量,提高活性物质在电极中的含量;

  但是相应的会带来一些风险:薄的壳体会使电池安全性降低,集流体使电极容易发生断裂,薄的隔膜导致的安全性的降低等,增加电极压实密度则可能导致吸液率降低及极片变脆等。

  2.将高容量低压实的材料与高压实的材料混合形成复合材料体系,提高复合材料体系的压实密度。

  3.选择具有高比容量的正负极材料或是高电压平台的正极材料

  如用高Ni的NCM或NCA材料取代常规NCM材料,用LMFP材料代替LFP


  高比容量正负极材料及高电压正极材料

  4.之前文章提到的高容量的SiC负极(戳此查看),今天主要聊聊NCA材料

  目前LiNi0.8Co0.15Al0.05O2.已经产业化,容量为190mAh/g左右,500次循环保持率在90%以上。

  NCA生产合成工艺

  a.制备Ni1-xCox(OH)2,表面包覆Al(OH)3,最后与Li盐混合烧结制备NCA;

  b.直接采用N i/C o/A l盐共沉淀制备Ni1-x-yCoxAly(OH)2,然后与Li盐混合烧结制备NCA;

  c.制备Ni1-xCox(OH)2,然后与Al(OH)3,Li盐一起混合烧结制备NCA。

  a和c方案Al元素分布不均匀,表层Al含量偏高,形成惰性层,降低最终产品容量,工艺复杂,成本高。

  b方案Al元素可以均匀分布,产品性能更加优异,流程简单、成本低,但前驱体的制备技术难度更大。

  目前Tesla电池的正极材料供应商日本住友已完成了Ni含量在85%~88%的新组分NCA的开发,较常规的N i含量为80%~85%的NCA材料,其能量密度又提升了5%。

  韩国主要采用的是Ni1-xCox(OH)2工艺路线,在火法阶段将Al源和锂源一起混合烧结制备NCA正极材料。

  NCA存在的问题

  1.合成困难

  NCA中的Ni为+3价,合成的前躯体原料为+2价,Ni2+氧化成为Ni3+,Ni3+很不稳定,高温合成升高温度可以提高Ni2+氧化成为Ni3+的转化率,但由于Ni3+很不稳定,温度太高又导致Ni3+的分解。

  2.合成成本高

  对于普通三元材料,生产过程中只需要空气气氛,而NCA需要纯氧气气氛,纯氧的成本较高,且对制造氧气生产供应设备要求极高。

  3.吸水性强

  Ni3+很不稳定,在有H2O存在下,

  LiNiCoAlO2 + H2O→NiO + LiOH + O2

  LiOH + CO2 →Li2CO3

  Li2CO3 + HF →LiF +CO2

  由于存在以上反应,导致NCA表面碱性很高,在配料涂布极易出现果冻状。

  因此产线需要在10%左右湿度下生产和存储。

  4.电池安全性

  高Ni体系满电状态下的热稳定性差,导致电池的安全性下降,需配合电芯体系(如高安全性隔膜,采用18650等圆柱体系)、BMS等进行配套优化设计

  NCA主要供应商

  1.进口的有日本化学,户田和住友金属,JFE,ECOPRO和GS等企业生产;

  2.国内的有当升,格林美,宁波金和,天骄,科隆,贝特瑞等小批量生产;

  3.前驱体供应商:国内主要有:金瑞,邦普,华友,天骄等。

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