二次電池風(fēng)向標(biāo)

上期主要介紹了一些電池的基礎(chǔ)知識。這期主要講解一下鋰電池以及一些其他的主流二次電池。

鋰電池的歷史

首先看一下鋰電池的歷史。

1980年：作為鋰與氧化鈷的化合物的鈷酸鋰等鋰過渡金屬氧化物被提案為正極材料。

1981年：三洋電機(jī)申請了以石墨碳質(zhì)為負(fù)極材料的二次電池的zhuan利。

1982年：使用固體電解質(zhì)在石墨內(nèi)證實(shí)了鋰離子的插層反應(yīng)。

1985年：確立了負(fù)極材料為碳材料，正極材料為鈷酸鋰的鋰離子二次電池的基本概念。

1991年：世界上Shou個鋰離子電池商品化。

1999年：聚合物鋰離子電池商品化。

2008年：使用鈦酸鋰作為負(fù)極材料的SCiB被商品化。

2009年：磷酸鐵鋰離子電池商品化。

鋰離子電池從1980年到2009年之間發(fā)生了飛躍性的進(jìn)化。

那么近3年來它有什么變化呢？

2019年：被稱為鋰離子電池之父的吉野彰博士獲得了諾貝爾化學(xué)獎。

2020年：搭載全固體電池的車輛于同年8月在公路上開始實(shí)施試驗(yàn)行駛。

2021年：推出雙極結(jié)構(gòu)鎳氫電池市場。并且采用了硫化物系固體電解質(zhì)，開發(fā)出特化了高電壓、高輸出的紐扣型全固體電池。

鋰離子電池的進(jìn)化可以說是遙遙可期。

一、 鋰電池的主要種類及其特征

在這個部分主要介紹鋰電池的主要種類以及其特征。

1. 鎳酸鋰

理論電壓為3.6V，正常工作電壓為3.0V至4.2V。正極材料所使用的鎳酸鋰的鎳系鋰離子電池雖然容量很大，但由于安全性的問題，所以很難實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。在鎳系中被稱為NCA系的類型進(jìn)行了提高安全性的加工并且實(shí)現(xiàn)了商品化，是被搭載至插電式混合動力車輛中的電池。

2. 鈷酸鋰

理論電壓為3.6V，正常工作電壓為3.0V至4.2V。正極材料使用鈷酸鋰，負(fù)極材料使用的是石墨的鈷系鋰離子電池，是1991年世界上Shou次被商品化的鋰離子電池。作為結(jié)構(gòu)最為平衡的正極材料，雖然以移動設(shè)備為中心被廣泛使用，但由于鈷的價格昂貴，并且價格變動大，另外對于有熱失控危險的車載的應(yīng)用上被認(rèn)為有安全性的課題。

3. 磷酸鐵鋰

理論電壓為3.2V至3.3V，正常動作電壓為2.5V至3.65V。正極材料所使用的磷酸鐵鋰的磷酸鐵鋰系鋰離子電池主要由中國與美國的制造商所制造。磷酸鐵系即使在電池內(nèi)部發(fā)熱，結(jié)晶結(jié)構(gòu)也不容易崩潰、安全性高。由于是以鐵為原材料，所以與錳系相比可以更加便宜地進(jìn)行制造。但是缺點(diǎn)是，相對于其他鋰離子電池的額定電壓3.7V相比，磷酸鐵系就只有3.2V左右，并且能量密度低。

4. 錳酸鋰

理論電壓為3.7V至3.8V，正常動作電壓為3.0V至4.2V。正極材料所使用的錳酸鋰的錳系鋰離子電池由于錳的價格便宜并且結(jié)晶結(jié)構(gòu)強(qiáng)硬、優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性與高安全性，所以被許多大型車載制造商采用至電動汽車中等，成為了車載用電池的主流。

5. 三元鋰

理論電壓為3.7V至3.8V，正常動作電壓為3.0V至4.2V。正極材料是使用鎳4、錳、鈷三元素化合物的電池，也可被稱為NMC (取各自的首字母)。通過混合從而提高安全性，與鈷酸鋰潔凈的構(gòu)造相似。與鎳和鈷相比，由于容量大所以也是一種平衡電池。

6. 鈦酸鋰

理論電壓為2.4V，正常動作電壓為1.8V至2.85V。是一種負(fù)極材料采用鈦酸鋰的電池。與使用石墨的傳統(tǒng)鋰離子電池相比較，鈦酸系電池的壽命為6倍，并且可以在10分鐘內(nèi)進(jìn)行快速充電。與其他的鋰電池相比較，額定電壓為3.7V，鈦酸系為2.4V左右，能量密度較低。

二、二次電池風(fēng)向標(biāo)

這個部分介紹一些除了鋰離子電池以外，最近比較主流的二次電池。

1. 燃料電池

日前燃料電池為了實(shí)現(xiàn)以碳中和為目標(biāo)的氫社會，近年來不斷進(jìn)行研究。燃料電池是通過將氫與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而直接發(fā)電的電池。特別是可將水電解·燃料電池一體型電池的可再生能源組合的蓄電池技術(shù)也是最近備受矚目的技術(shù)之一。在FCV的領(lǐng)域中，也提出了2040年以后的開發(fā)計劃，將目前堆棧性能3.0kW/L、0.6V在2040年之后提升至9.0kW/L、0.85V等各種課題。

2. 全固體電池

作為能超越液系電池而備受期待的全固體型鋰離子電池。正極材料使用鈷酸鋰，負(fù)極材料使用碳的鋰離子電池雖然沒有變化，但是在電解質(zhì)不是有機(jī)電解液而是無極固定電解質(zhì)這一點(diǎn)上卻是有很大的不同。作為液體類電解質(zhì)的有機(jī)電解液由于有機(jī)質(zhì)并且具有燃燒的性質(zhì)，所以必然伴隨著起火的風(fēng)險。無極固體電解質(zhì)大致分為氧化物系與硫化物系，但由于都是阻燃性的固體材料，所以可以將起火的風(fēng)險大幅降低。與氧化物系相對比，硫化物系的電解質(zhì)顯示出更高的離子傳導(dǎo)性，因此可以期待更高的電池性能。但是由于硫化物與大氣中的水分反應(yīng)時會產(chǎn)生硫化氫，所以在大氣中的穩(wěn)定性目前還存在一些課題。包括正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)、硫化氫等問題。但是即使是還存在一些課題，但全固體電池依舊為了可以盡快實(shí)現(xiàn)實(shí)用化而不停進(jìn)行研究開發(fā)。

3. 鈉電池

Intercalation等化學(xué)反應(yīng)的原理與鋰離子一樣，可以直接置換成鈉離子。由于鈉比鋰要便宜，并且在海水等中以鈉離子的狀態(tài)Wu窮無盡的存在，所以有助于降低材料費(fèi)還可保護(hù)環(huán)境。由于作為包含電解質(zhì)的無機(jī)質(zhì)，與安全性的提高相連，所以對于材料的研究目前也是熱火如潮的進(jìn)行中。

4. 空氣電池

正極活性物質(zhì)使用的不是稀有金屬而是空氣中的氧氣，因此也被稱為Zhong極的二次電池。同樣，由于在正極的電極部分吸氧，所以納米多孔石墨烯等特殊的電極將成為產(chǎn)品化的關(guān)鍵部分。空氣電池是空氣中的氧和鋰金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后而產(chǎn)生電力的開放性電池，因此也被分類為燃料電池。通常的鋰離子電池與開放型電池相比，被稱為密閉性電池。3年前日本的Softbank與物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)共同設(shè)立了Jian端技術(shù)開發(fā)中心，面向2025年左右的實(shí)用化進(jìn)行研究開發(fā)。

本文來源于KIKUSUI菊水

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