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简析磷酸锰锂与磷酸钴锂:兼顾安全性能与能量密度

导读: 为了保留磷酸铁锂安全性高的优点,又能提高其工作电压,从而提高能力密度,人们尝试将磷酸铁锂材料中的铁元素替换为锰元素和钴元素,下面我们介绍一下磷酸锰锂和磷酸钴锂。

  磷酸铁锂材料凭借着其优异的安全性能和循环性能,在电动汽车领域取得了巨大的成功,但是磷酸铁锂材料工作电压较低,电压平台只有3.2V左右,理论容量为167mAh/g,实际容量只有140mAh/g左右,因此采用磷酸铁锂材料的锂离子电池能量密度要明显低于钴酸锂电池,磷酸铁锂材料只适合应用在一些对能量密度要求不高,对安全性要求较高的场景,例如电动大巴,电动汽车,以及分布式储能等领域。为了保留磷酸铁锂安全性高的优点,又能提高其工作电压,从而提高能力密度,人们尝试将磷酸铁锂材料中的铁元素替换为锰元素和钴元素,下面我们介绍一下磷酸锰锂和磷酸钴锂。

  磷酸锰锂

  磷酸铁锂材料良好的安全性,以及稳定的循环性能使其成为了电动汽车用动力电池的首选材料。但是磷酸铁锂又具有先天缺陷,电压平台低,其工作电压平台仅在3.2V左右,这极大的限制了采用了磷酸铁锂的锂离子电池的能量密度,因此采用磷酸铁锂的电动汽车都不得不装配更大体积的电池,这对提高电动汽车的续航里程明显是不利的,包括特斯拉在内众多电动车厂商都摒弃了磷酸铁锂材料。那么是否有一种材料既能够具有磷酸铁锂良好的安全性能,还能具有较高的能量密度呢?

  答案自然是肯定,这就是目前正处于研究阶段的磷酸锰锂材料,以及磷酸钴锂材料了。要理解磷酸盐类材料为何具有良好的安全性能和循环稳定性,就要从磷酸盐类材料的微观结构入手,包括磷酸铁锂在内的磷酸盐类材料都具有橄榄石结构,下面以磷酸铁锂材料的结构图简单给大家介绍一下。与LiCoO2材料的层状结构不同,磷酸铁锂材料具有六方密堆结构,空间群为Pmnb型。其结构图如下图所示,其晶体结构由LiO6八面体和FeO6八面体,PO4四面体包含在此结构中。其中FeO6八面体和PO4四面体交叉连接,这种结构最大的优势是稳定性好,因此即使在充电的过程中锂离子全部脱出,也不存在这结构崩塌的问题,因此磷酸盐类材料都具有良好的耐过充和浮充的特性。但是这种结构也存在着显著的缺点,既由于材料中没有连续的FeO6共棱八面体网络,不能够形成电子导体,因此电子的传到只能通过Fe-O-Fe进行,因此材料的电子导电性极差,只有10-9S/cm。同时材料中P原子通过P-O强共价键形成PO4四面体,O原子很难从结构中脱出,因此材料具有十分高的安全性和稳定性,在常压下即使加热到200℃材料仍然是稳定的。

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