锂离子电池是指一种以锂离子嵌入化合物为正极材料如钴酸锂,以碳素材料为负极,如石墨,主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作的电池。这里需要提出的是锂电池和锂离子电池两个概念,锂电池大致包括两类,分别是锂金属电池和锂离子电池,所以大家注意不要混淆。而目前在新能源汽车行业中应用最多的,就是锂离子电池,锂离子电池不含有金属态的锂。虽然锂金属电池不管是从其安全性、比容量、自放电率还是性能价格比均优于锂离子电池,但是由于其自身的高技术要求限制,不管是制造成本还是保存、使用的成本都相对高昂,这也就限制了锂金属的发展。
在充放电过程中,Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌,充电时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中,同时伴随着与锂离子等量电子的嵌入和脱嵌。锂离子电池由于工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长,是目前发展的较理想能源载体。
锂离子电池从外部结构来看,可以分为方形、圆柱和聚合物锂电池。当前国外新能源汽车企业比较具有代表性的企业是特斯拉,特斯拉所搭载的电池就是由松下提供的18650圆柱形电池,国内的则是比亚迪,多为方形电池。目前主流的锂离子动力电池,我们通常按正极材料来分类,主要分为磷酸铁锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料和磷酸锰锂。其中以磷酸铁锂和三元材料最具代表性。磷酸铁锂体系的优势在于安全、稳定,三元材料的能量密度较高、续航能力较强。下面我们来介绍一下锂离子电池的正负极材料。
锂离子电池的正极是由活性物质、导电剂、粘结剂、集流体组成。正极活性物质一般包括氧化钴锂(LiCoO2)、氧化锰锂(LiMn2O4)、磷酸铁锂(LiFePO4) 、三元材料(LiNixCoyMn1-x-yO2),作用是提供锂源,提供能量。目前动力电池主流的正极活性物质材料为磷酸铁锂或三元材料,一般电动大巴等公共交通采用的是磷酸铁锂,小型乘用车采用的是三元材料。
正极导电剂作用是提高导电性,为了能够保证电极有良好的充放电性能,在极片制作时通常加入一定量的导电剂,在活性物质之间与集流体起到收集微电流的作用,作为锂离子电池导电剂材料使用的主要有常规导电炭黑、导电石墨、碳纳米管、石墨烯、碳纤维VGCF等,目前碳纳米管和石墨烯均可做成导电浆料,价格比普通炭黑SP贵很多。炭黑是非常成熟的导电剂,价格比较稳定。CNT和石墨烯未来随着规模化效应的提高,其价格下降空间相对较大,未来应用前景较广阔。
正极粘结剂一般采用聚偏氟乙烯(PVDF),作用是将活性物质和导电剂粘结在集流体上保持活性物质间以及和集流体间的粘结作用,同时保证活性物质制浆时的均匀性和安全性。
正极集流体采用铝箔,而在普通材料中,金属材料是导电性最好的材料,而在金属材料里价格便宜、质地轻软、导电性又好的材料就是铝箔。我们知道正极铝箔在整个电池结构中的占比非常的大,现在的正极铝箔的厚度由前几年的16um降低到14um,再到12um,现在的锂电池电池生产厂家已经量产使用10um-8um的铝箔,以降低整个电池的重量。