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钴酸锂仍是小型锂电池的最佳选择。目前在 3C 电子电池中,大多数仍使用钴酸锂而并非比容量更高的三元材料,原因是钴酸锂材料的压实密度大于三元材料,即单位体积内能容纳的钴酸锂量更多。在更为重视体积密度的小型电池中,钴酸锂占有着一席之地。

钴酸锂理论容量高,但实际容量却只有理论的一半。原因是在充电过程中锂离子要从钴酸锂材料中脱出,但脱出量小于 50%时,材料的形态和晶型可以保持稳定。随着锂离子脱出量增大至 50%时,钴酸锂材料将发生相变,如果此时继续充电,钴将溶解在电解液中并产生氧气,严重影响电池循环稳定性和安全性能,因此一般的钴酸锂充电截止电压为 4.2V。

磷酸铁锂的缺点也较为明显,即能量密度低。原因有两点,一是磷酸铁锂材料的电压仅有 3.3V 左右,低于其他正极材料,这使得磷酸铁锂电池储存能量较低;二是磷酸铁锂导电性较差,需要纳米化并进行包覆才能获得良好的电化学性能,这使得材料变得蓬松,压实密度较低。两者综合作用,使得磷酸铁锂电池的能量密度低于钴酸锂和三元电池。因此磷酸铁锂电池主要应用于电动大巴车及少量乘用车中。

磷酸铁锂是否近期将被淘汰?近期新能源汽车安全事故频发,被认为将很快被三元材料取代的磷酸铁锂再次进入人们的视野,人们希望通过对磷酸铁锂进行改性提高其容量。目前已有学者通过在磷酸铁锂中掺入 Mn 元素使其拥有更高的电压和更高的能量密度,也有相关研究通过复合技术将磷酸铁锂与 NCM 三元材料进行混合,在保持三元素电池较高能量密度的同时可以有效提升其安全性能。

镍钴锰三种元素的不同配置将为材料带来不同的性能:镍含量增加将增加材料的容量,但会使循环性能变差;钴的存在可使材料结构更加稳定,但含量过高会使容量降低;锰的存在可以降低成本并改善安全性能,但含量过高则会破坏材料的层状结构,因此找到三种材料的比例关系以达到综合性能最优化,是三元材料研发的重点。常见配比有 NCM111、523、622、811 等。NCA(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)则是将其中的锰元素用铝元素来替代,一定程度上改善材料的结构稳定性,但其铝含量较少,可近似看成是一种二元材料。

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