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专家:三元材料和磷酸铁锂在动力锂电池中的应用

导读: 笔者经过15年来的研究应用测试验证了三元材料作为锂离子正极材料的发展从无到有,从不认可到尝试到推广整个的过程鉴证人和推动人,本着科学的公正的角度来谈一下三元材料(NVCM)和磷酸铁锂材料(LFP)在锂离子动力电池中的应用。

  作为一位多年研究多孔态聚合物锂离子动力电池和材料研究应用的科研工作者,也是国内使用三元材料作动力电池的先行人之一,经过我15年来的研究应用测试验证了三元材料作为锂离子正极材料的发展从无到有,从不认可到尝试到推广整个的过程鉴证人和推动人,本着科学的公正的角度来谈一下三元材料(NVCM)和磷酸铁锂材料(LFP)在锂离子动力电池中的应用。

  大家都知道锂离子电池的工作机理,离子的嵌入与迁出是锂离子电池的核心关键,提高离子的嵌入量、提高离子交换量、提高离子交换速度、提高离子的扩散能、降低化学物理极化,缓解锂沉积速度等都是锂离子电池一直亟待解决的问题,对锂离子电池的安全更为关注,影响锂离子电池安全来自于很多方面因素,生产制造环节和生产环境是基本的保障,这个作为电池制造厂的最低门槛假设都可通过(个别太低级厂家不计入),那么影响电池安全的因素从电池制造层面上需要从材料、结构、体系、工艺、设备等各方面进行全方位的设计和完善。

  电池的安全主隐患主要来自电池的热失控,电池的热反应主要分为反应热、焦耳热和极化热、这些热又分别来自电池的物理产热和化学产热,那么作为锂离子电池安全设计和制造上,首要分析产热的机理;从材料上、结构上、体系上、都会带来电池产热,那么优化控制产热和散热问题便是设计和制造电池安全的首要,从体系上来看基本分成液态体系、凝胶态体系、固态体系、多孔态体系(自主研究发明)每个体系的制造工艺和对电池带来的性能均各有不同,液态体系导电性能好但安全性上差,凝胶态和准固态安全性能提高了但在倍率性能上又带来了新的问题,故我们提出“多孔态”聚合物锂离子动力电池技术,既保障电池的安全性又提升电池的倍率性(主要是采用多孔聚合物隔离膜采用相分离技术制备多孔电极改变电解液存在形式提高离子交换速度降低化学阻抗)在材料方面无论采取何种正、负极材料与电解液我们都需要分析材料间的相配合度,相容度,相互反应所产生的极化是否最小,离子跃迁、电子导电率是否最佳,这样可以有效缓解极化产热问题、电极结构的设计的合理性同样很重要,直接影响电流的分布均匀性,对电池物理极化影响很大,合理的结构对电化学动力学界面膨胀产热氧化损寿和提升电池的库伦效率有很大帮助,也就是说多方面的设计不合理性都会带来电池产热都是影响电池安全的因素。

专家:三元材料和磷酸铁锂在动力锂电池中的应用

  下面针对锂离子电池常用材料来分析一下其热电化学性能;作为主要材料:正极、负极、隔离膜、电解液、集流体、外包装(此处以AL塑膜为例)等6大材料中;最容易达到燃点和燃烧的肯定是有机材料(电解液、隔离膜),AL塑包装膜:在140℃ PP层融化,隔离膜(以PVDF基为例)130℃发生热蠕变,PVDF膜耐热温度点高,残值余量大产热少,电解液温度变化点>60℃出现微量吸热,LiPF6-117℃-160 ℃分解,160℃-250℃ 酯类有机溶剂发生热分解反应,电解液在NCM正极材料中185℃发生分解;电解液在负极石墨中130℃发生分解(贫液和富液差别10℃);负极上SEI膜分解温度在95℃—97℃。故出于安全性考虑,应当确保电池温度低于95℃。负极材料放热MCMB <Graphite,热膨胀MCMB>Graphite ,石墨600℃热稳定性良好。

  而针对正极材料 LFP(磷酸铁锂)NCM/NCA(三元材料)粉体材料来讲;未充电情况下LFP和NCM材料相比较 NCM与LFP在30-250℃范围内,物质的热重无明显变化,说明在250℃以内两种材料的热稳定性良好。NCM在250℃-600℃出现了两个放热峰,在291℃开始分解、峰温445℃达到热失控,LFP测试至528.6℃达到峰温热失控,之前无明显大变化,残留质量576.4℃-NCM89.03%,576.2℃-LFP 95.85%,LFP分解产物少材料高温稳定性好;说明LFP氧化放热温度要高于NCM, 但LFP热失控放热量比NCM材料高。

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