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二次电池风向标

点击次数:85 发布时间:2023-01-13

上期主要介绍了一些电池的基础知识。这期主要讲解一下锂电池以及一些其他的主流二次电池。


锂电池的历史

首先看一下锂电池的历史。

1980年:作为锂与氧化钴的化合物的钴酸锂等锂过渡金属氧化物被提案为正极材料。

1981年:三洋电机申请了以石墨碳质为负极材料的二次电池的zhuan利

1982年:使用固体电解质在石墨内证实了锂离子的插层反应。

1985年:确立了负极材料为碳材料,正极材料为钴酸锂的锂离子二次电池的基本概念。

1991年:世界上Shou锂离子电池商品化。

1999年:聚合物锂离子电池商品化。

2008年:使用钛酸锂作为负极材料的SCiB被商品化。

2009年:磷酸铁锂离子电池商品化。


锂离子电池从1980年到2009年之间发生了飞跃性的进化。

那么近3年来它有什么变化呢?

2019年:被称为锂离子电池之父的吉野彰博士获得了诺贝尔化学奖。

2020年:搭载全固体电池的车辆于同年8月在公路上开始实施试验行驶。

2021年:推出双极结构镍氢电池市场。并且采用了硫化物系固体电解质,开发出特化了高电压、高输出的纽扣型全固体电池。

锂离子电池的进化可以说是遥遥可期。


一、 锂电池的主要种类及其特征

在这个部分主要介绍锂电池的主要种类以及其特征。

1. 镍酸锂

理论电压为3.6V,正常工作电压为3.0V至4.2V。正极材料所使用的镍酸锂的镍系锂离子电池虽然容量很大,但由于安全性的问题,所以很难实现实用化。在镍系中被称为NCA系的类型进行了提高安全性的加工并且实现了商品化,是被搭载至插电式混合动力车辆中的电池。


2. 钴酸锂

理论电压为3.6V,正常工作电压为3.0V至4.2V。正极材料使用钴酸锂,负极材料使用的是石墨的钴系锂离子电池,是1991年世界上Shou被商品化的锂离子电池。作为结构最为平衡的正极材料,虽然以移动设备为中心被广泛使用,但由于钴的价格昂贵,并且价格变动大,另外对于有热失控危险的车载的应用上被认为有安全性的课题。


3. 磷酸铁锂

理论电压为3.2V至3.3V,正常动作电压为2.5V至3.65V。正极材料所使用的磷酸铁锂的磷酸铁锂系锂离子电池主要由中国与美国的制造商所制造。磷酸铁系即使在电池内部发热,结晶结构也不容易崩溃、安全性高。由于是以铁为原材料,所以与锰系相比可以更加便宜地进行制造。但是缺点是,相对于其他锂离子电池的额定电压3.7V相比,磷酸铁系就只有3.2V左右,并且能量密度低。


4. 锰酸锂

理论电压为3.7V至3.8V,正常动作电压为3.0V至4.2V。正极材料所使用的锰酸锂的锰系锂离子电池由于锰的价格便宜并且结晶结构强硬、优秀的热稳定性与高安全性,所以被许多大型车载制造商采用至电动汽车中等,成为了车载用电池的主流。


5. 三元锂

理论电压为3.7V至3.8V,正常动作电压为3.0V至4.2V。正极材料是使用镍4、锰、钴三元素化合物的电池,也可被称为NMC (取各自的首字母)。通过混合从而提高安全性,与钴酸锂洁净的构造相似。与镍和钴相比,由于容量大所以也是一种平衡电池。


6. 钛酸锂

理论电压为2.4V,正常动作电压为1.8V至2.85V。是一种负极材料采用钛酸锂的电池。与使用石墨的传统锂离子电池相比较,钛酸系电池的寿命为6倍,并且可以在10分钟内进行快速充电。与其他的锂电池相比较,额定电压为3.7V,钛酸系为2.4V左右,能量密度较低。


二、二次电池风向标

这个部分介绍一些除了锂离子电池以外,最近比较主流的二次电池。

1. 燃料电池

日前燃料电池为了实现以碳中和为目标的氢社会,近年来不断进行研究。燃料电池是通过将氢与氧发生化学反应从而直接发电的电池。特别是可将水电解·燃料电池一体型电池的可再生能源组合的蓄电池技术也是最近备受瞩目的技术之一。在FCV的领域中,也提出了2040年以后的开发计划,将目前堆栈性能3.0kW/L、0.6V在2040年之后提升至9.0kW/L、0.85V等各种课题。


2. 全固体电池

作为能超越液系电池而备受期待的全固体型锂离子电池。正极材料使用钴酸锂,负极材料使用碳的锂离子电池虽然没有变化,但是在电解质不是有机电解液而是无极固定电解质这一点上却是有很大的不同。作为液体类电解质的有机电解液由于有机质并且具有燃烧的性质,所以必然伴随着起火的风险。无极固体电解质大致分为氧化物系与硫化物系,但由于都是阻燃性的固体材料,所以可以将起火的风险大幅降低。与氧化物系相对比,硫化物系的电解质显示出更高的离子传导性,因此可以期待更高的电池性能。但是由于硫化物与大气中的水分反应时会产生硫化氢,所以在大气中的稳定性目前还存在一些课题。包括正极材料、负极材料、电解质、硫化氢等问题。但是即使是还存在一些课题,但全固体电池依旧为了可以尽快实现实用化而不停进行研究开发。


3. 钠电池

Intercalation等化学反应的原理与锂离子一样,可以直接置换成钠离子。由于钠比锂要便宜,并且在海水等中以钠离子的状态Wu穷无尽的存在,所以有助于降低材料费还可保护环境。由于作为包含电解质的无机质,与安全性的提高相连,所以对于材料的研究目前也是热火如潮的进行中。


4. 空气电池

正极活性物质使用的不是稀有金属而是空气中的氧气,因此也被称为Zhong极的二次电池。同样,由于在正极的电极部分吸氧,所以纳米多孔石墨烯等特殊的电极将成为产品化的关键部分。空气电池是空气中的氧和锂金属发生化学反应后而产生电力的开放性电池,因此也被分类为燃料电池。通常的锂离子电池与开放型电池相比,被称为密闭性电池。3年前日本的Softbank与物质材料研究机构共同设立了Jian端技术开发中心,面向2025年左右的实用化进行研究开发。


本文来源于KIKUSUI菊水






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