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科技创新

为啥电池有效成分是"锂" 不同配方正极材料的目的是什么?

化学电池发展到如今已经有两百多年的历史,锂电池已经成为了主流,大家可能会比较奇怪,元素周期表上一百多号元素,干嘛非得选择“锂”这个“小字辈”呢?

锂离子电池的工作原理 

新能源汽车锂离子电池是一种可反复充电电池,它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来产生电流。锂离子电池正极材料有很多,它们都以嵌入的锂化合物形式存在,目前车用动力电池的正极材料有磷酸铁锂、三元锂(分为镍钴锰体系和镍钴铝体系)等等,负极材料目前主流是石墨。

锂离子电池放电时锂离子在正极嵌入,充电时锂离子在正极脱嵌,锂离子在充放电时通过电解液和隔膜在正负极之间移动。

这就好比是城市中,行驶于A点和B点的物流车,它们来来往往的不停穿梭给这个城市带来了“电流”,而锂元素就是其中效率最高,带货能力最强的那辆物流车。

为什么锂元素成为充电电池的材料?

锂应用前,人类一直在寻找合适的电池材料作为储存电能的装置,人们先后尝试过多种电池材料如铜、铁、锌、铅、汞、镁等等,电池的改进方向主要以提升容量和放电性能等指标为主,最终选择了锂作为最新一代充电电池的材料。
为啥电池有效成分是“锂”而不是金银铜铁锡?

从元素周期表上很清楚能看到,锂元素是第三号元素,也是排在最靠前的金属元素。

锂本身是6个原子质量单位,每一个锂携带着1个电荷;

相比于早期电池应用较广泛的锌,它的原子质量是66,每一个锌携带着2个电荷,很显然,用锂作为电池材料能带来明显更高的能量密度。也就是说,锂作为电池材料的比容量更高。

此外锂离子电池还有无记忆效应、可高倍率充放电、自放电率小、能量转换率高等优点。

从地球上向太空站运送补给,虽然轻型火箭装载的少,但多发射多几次,也要比重型火箭的成本要低,锂元素就好比这枚效率更高的轻型火箭?

三元锂电池为什么取代磷酸铁锂成为主流?

目前多数乘用纯电动车的电池都摒弃了磷酸铁锂这种正极材料,转而使用三元锂材料,最主要的原因是因为对电池性能的更高要求,也就是对续航里程的更高要求。

打个比方来说,同样的成本摩托车可以跑的比汽车快得多,不过两个轮子的肉包铁安全性会差一些,这很像磷酸铁锂和三元锂电池之间的性格差异。

磷酸铁锂和三元锂之间的优缺点很明显,磷酸铁锂缺点是能力密度低但是安全性更好,三元锂电池能量密度明显高但是安全性相对一般,为了追求更高的续航表现,三元锂成为了目前的主流。

为啥电池有效成分是"锂" 不同配方正极材料的目的是什么?

正是因为能量密度的原因,让磷酸铁锂逐渐被“三元锂”电池取代,原因如下:

三元锂电池能量密度明显高,最直接的好处是能让续航里程增加;

2018年及以前补贴政策直接鼓励了高能量密度电池;

三元锂电池新正极材料配方能量密度的潜力更大,比如NCM811(镍钴锰比例为8:1:1)。

为什么叫“三元锂电池”?不同配方正极材料的目的是什么?

“三元锂电池”这个称谓,其实来源很简单

锂离子电池使用一个嵌入的锂化合物作为一个正极材料,为了提升电池性能,人们尝试用不同的材料组合来提升电池表现,目前发现“镍钴锰(NCM)”和“镍钴铝(NCA)”两种体系的正极材料性能更好,因为这两类正极材料有效成分为三种,所以称之为“三元锂”电池。

特斯拉等品牌部分车型采用的是镍钴铝(NCA)体系,其他多数纯电动车型使用镍钴锰(NCM)体系电池,根据不同配方分为NCM523、NCM111、NCM811等,后面的数字代表的是三种元素之间的配比。

每一种元素的多与少,都会直接影响电池性能,目前企业研发的主要精力是在配方上,好比每家炖肉的调料都差不多但是味道不同一样,不同企业的同配方电池性能也会有差异。

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