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三元锂电池的结构与基本原理

时间:2022-10-31 15:43:16来源:新能源汽车技术院

导语:​三元锂电池的结构与基本原理

  1.三元锂电池结构

太阳集团网址首页  “三元锂电池”全称是“三元聚合物锂电池”,三元聚合物锂电池是指正极材料使用镍钴锰酸锂(Li(NiCoMn)O2)三元正极材料的锂电池,三元复合正极材料前驱体产品,是以镍盐、钴盐、锰盐为原料,里面镍钴锰的比例可以根据实际需要调整,三元材料做正极的电池相对于钴酸锂电池安全性高。

  镍钴锰三元正极材料结构特征:

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  三元理电池结构图

  镍钴锰三元材料通常可以表示为:LiNixCoyMnzO2.其中x+y+z=1.

太阳集团网址首页  依据3种元素的摩尔比(x∶y∶z比值)的不同,分别将其称为不同的体系,如组成中镍钴锰摩尔比(x∶y∶z)为1∶1∶1的三元材料,简称为333型;摩尔比为5∶2∶3的体系,称之为523体系等。333型、523型和811型等三元材料均属于六方晶系的α-NaFeO2型层状岩盐结构。

  例如:NCM811电池,811电池实际来说指的是电池的电极材料,从正极材料上面来说,主要是用80%的镍、10%的钴和10%的锰,简单来说就是将电极的材料变成了8:1:1.

太阳集团网址首页  2.三元锂电池工作原理

  镍钴锰三元材料中,3种元素的的主要价态分别是+2价、+3价和+4价,Ni为主要活性元素。其充电时的反应及电荷转移如下:

  正极反应:LiMO2—→Li1-xMO2+xLi++xe-

  负极反应:nC+xLi++xe-—→LixCn

  电池总反应:LiMO2+nC—→Li1-xMO2+LixCn

  它的阳极采用能吸藏锂离子的碳极, 放电 时,锂变成锂离子,脱离电池阳极,到达锂电池阴极。锂离子在阳极和阴极之间移动,电极 本身不发生变化。这是锂电池与金属锂电池本质上的差别。锂电池的阳极为石墨晶体,阴极通常为二氧化锂。充电时,阴极中锂原子电离成锂离子和电子,并且锂离子向阳极运动与电 子合成锂原子。放电时,锂原子从石墨晶体内阳极表面电离成锂离子和电子,并在阴极处合成锂原子。所以,在该电池中锂永远以锂离子的形态出现,不会以金属锂的形态出现。

  三元聚合物锂电池在容量与安全性方面比较均衡的材料,循环性能好于正常钴酸锂,前期由于技术原因其标称电压只有3.5-3.6V,在使用范围方面有所限制,但到目前,随着配方的不断改进和结构完善,电池的标称电压已达到3.7V,在容量上已经达到或超过钴酸锂电池水平。

太阳集团网址首页  3.三元锂电池正确的充电方法

  (1)用配套的充电器,将三元锂电池充满后,辅充一个小时,就可以了。

太阳集团网址首页  (2)放电到还剩20℅左右,再充电,过度放电会损坏三元锂电池。

太阳集团网址首页  (3)三元锂充电时尽量一次充满。

  单节锂电池的最高充电终止电压为4.2V,不能过充,否则会因正极的锂离子丢失太多而使电池报废。对锂电池充电时,应采用专用的恒流、恒压充电器,先恒流充电至锂电池两端电压为4.2V后,转入恒压充电模式;当恒压充电电流降至100mA时,应停止充电。

  放电时锂离子不能全部移向正极,必须保留一部分锂离子在负极,以保证在下次充电时锂离子能够畅通地嵌入通道。否则,电池寿命会缩短。为了保证石墨层中放电后留有部分锂离子,就要严格限制放电终止最低电压,也就是说锂电池不能过放电。

  单节锂电池的放电终止电压通常为3.0V,最低不能低于2.5V。电池放电时间长短与电池容量、放电电流大小有关。电池放电时间(小时)=电池容量/放电电流,且锂电池放电电流(mA)不应超过电池容量的3倍,例如:1000mAh的锂电池,则放电电流应严格控制在3A以内,否则会使电池损坏。


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