【干貨】一文讀懂三元鋰動力電池體系

　　眾所周知，以三元材料作為正極材料的動力鋰電池近年來憑借其容量高、循環(huán)穩(wěn)定性好、成本適中等重要優(yōu)點，逐漸在動力電池行業(yè)中占據(jù)愈發(fā)重要的地位。

　　在新能源汽車中，三元鋰電池的占有率超過了磷酸鐵鋰電池成為一大亮點，包括吉利、奇瑞、長安、眾泰、中華等大部分國內(nèi)主流車企都紛紛推出采用三元動力電池的新能源車型。例如北汽EV系列、奇瑞eQ、艾瑞澤3EV、江淮iEV4、眾泰云100、包括吉利帝豪EV等。那么究竟三元材料電池愈發(fā)強勢的原因是什么呢？

　　在之前的文章《手把手帶你認識鋰離子電池》一文中有提到，鋰離子電池的性能主要取決于其正極材料，而且鋰離子電池也通常以正極材料來命名。市場上所說的三元材料電池大多是指以鎳鈷錳為正極材料的鋰離子電池。

　　人們發(fā)現(xiàn)，鎳鈷錳三元正極材料中鎳鈷錳比例可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，并且其性能隨著鎳鈷錳的比例的不同而變化。因此，出于進一步降低鈷鎳等高成本過渡金屬的含量，以及進一步提高正極材料的性能的目的，世界各國在鎳鈷錳三元材料的研究和開發(fā)方面做了大量的工作，提出了多個具有不同鎳鈷錳比例組成的三元材料體系，包括333，523，811 體系等。一些體系已經(jīng)成功地實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。

　　1.鎳鈷錳三元正極材料結(jié)構(gòu)特征

　　鎳鈷錳三元材料通?？梢员硎緸長iNixCoyMnzO2 ，其中x+y+z=1。

　　依據(jù)3 種元素的摩爾比（x∶y∶z 比值）的不同，分別將其稱為不同的體系，如組成中鎳鈷錳摩爾比（x∶y∶z）為1∶1∶1 的三元材料，簡稱為333 型；摩爾比為5∶2∶3 的體系，稱之為523 體系等。

　　333 型、523 型和811 型等三元材料均屬于六方晶系的α-NaFeO2 型層狀巖鹽結(jié)構(gòu)，如圖1。

圖1 α-NaFeO2 型層狀巖鹽結(jié)構(gòu)圖

　　鎳鈷錳三元材料中，3 種元素的的主要價態(tài)分別是+2 價、+3 價和+4 價，Ni 為主要活性元素。其充電時的反應(yīng)及電荷轉(zhuǎn)移如下

　　正極反應(yīng) LiMO2—→ Li1-xMO2 + xLi+ + xe-

　　負極反應(yīng) n C + x Li+ + x e- —→ LixCn

　　電池總反應(yīng) LiMO2 + n C —→ Li1-xMO2 + LixCn

　　一般來說，活性金屬成分含量越高，材料容量就越大，但當Ni的含量過高時，會引起Ni2+占據(jù)Li+位置，加劇了陽離子混排，從而導(dǎo)致容量降低。Co也是活性金屬，但能起到抑制陽離子混排的作用，從而穩(wěn)定材料層狀結(jié)構(gòu)；Mn則不參與電化學(xué)反應(yīng)，可提供安全性和穩(wěn)定性，同時降低成本。

　　2.不同體系鎳鈷錳三元鋰離子電池的特點

　　當前市場上存在許多鎳鈷錳三元體系電池，例如523，111，811體系等等，圖2能幫助我們較直觀的了解各體系的特點及相互之間的差異。

圖2 鎳鈷錳三角模型規(guī)律圖

　　作為車載動力電池，市場對其能量密度提出了越來越嚴苛的要求。但魚和熊掌不可兼得，由圖2可知，若想獲得高能量密度且安全穩(wěn)定的動力電池，必須增加Ni及Co在三元材料中的比重。伴隨而來的，是由Ni的活潑特性帶來的安全隱患及Co資源缺乏帶來的成本增加。

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