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叉车锂电池常用的材料2025-01-21 09:56

电池中活性材料主要指正负极电极材料,LIBS正极材料主要分为三大类。
(1)层状结构的正极材料(LiMO2:M=Co,Ni、Mn、Al),尖晶石结构的正极材料(LiM2O4:M=Ni、Mn),橄榄石结构(LiMPO4:M=Fe、MnCo、Ni)的正极材料。几种常见类型的正极材料的容量、工作电压、能量密度的对比。
可以看到,在能量密度上层状正极材料具有较大的优势。其中,带有Ni、CO、Mn掺杂的层状正极材料具有较高的工作电压和能量密度,但实际中这些金属储量较少,因此价格较高。需要注意的是,由于Fe是地球上储量第二多的金属元素,因此市场上的LFP在价格上占有优势,但与NMC和NCA相比,其能量密度较低。在安全性方面,LFP不会产生氧气,因此不会引起起火以及爆炸等安全问题,即使在300 C的大电流下也没有热效应,此外,与含有重金属的正极材料相比,LFP无毒、无污染。同时,LFP中的Li+只能做一维运动,而其它正极材料中的Li+至少可做二维运动,且LFP是唯一可快速充放电的正极材料,但是目前LFP的能量密度还有待提升,研究发现,通过掺杂Mn元素,可将其能量密度提高20%。可以说LFP是非常安全、耐用的锂离子电池正极材料。对于负极材料,最早为Li金属,其优点是能量密度高(3860 mA h g-1)和电势低。但不足之处是Li会在负极材料表面上发生不均匀的溶解和沉积,一方面这会引起容量的损失,另一方面,锂的沉积会产生枝晶,穿透隔膜,从而引起安全问题。随着进一步的探索,研究人员采用非金属化合物来提替代金属Li,例如碳,碳的优势在于其在可逆反应中几乎无损耗,也不会在表面产生锂枝晶。一般在消费类电子产品中采用石墨碳作为负极材料,但不足之处是,其能量密度和功率密度较低。
以发现,作为负极材料,容量最高且电势最低的是C/Si复合材料或者Si合金,其次是C/Sn或者Sn合金。接下来是无定形碳,无定形碳(硬碳和软碳)和石墨可在自然界中开采,也可人工合成获得。石墨作为LIBS负极,在第一圈循环过程中电池容量的损失主要是Li+、电解质在负极表面发生化学反应造成的,在电解质与石墨层间形成了一层SEI膜,该膜的质量决定了电池的性能。SEI膜可阻止溶剂分子的共嵌入,同时,稳定SEL对负极具有很强的黏着力和弹性,可防止Li+在嵌入时发生体积膨胀,引起SEI破裂。电池中常用的非活性材料电池中正负极材料都是以粉末状出现的,其制浆后涂布在集流体上。正极集流体一般是厚度为20-25μm的铝箔;负极集流体一般是厚度为8-18μm的铜箔。铝箔具有导电性高、高电势下稳定优势。然而尽管铝比铜轻,价格也低,但铝在低电势下会生成锂铝合金,因此不适合用在负极上。在涂布时,需要将活性材料、粘结剂、导电剂+溶剂混合后制浆。常用的粘结剂有聚偏氟乙烯(PVDF),PVDF是具有与毛发相似的微观结构,可有效的将浆料粘附在一起,然而PVDF不溶于水,因此需要溶剂来溶解PVDF进行混浆。采用的溶剂是NMP。在生产过程中,NMP会在电极干燥过程中挥发掉,因此组装后的电池单体中不再含有NMP。需要指出的是,NMP溶剂被认为是对人体具有危害的物质,因此在生产过程中挥发掉的溶剂必须烧掉或作无害处理。有一种解决方案是采用水基粘结剂,水作溶剂CMC+SBR(羧甲基纤维素钠+丁苯橡胶)作为粘结剂。需要注意的是,电解质里的锂盐(LiPF6)极易水解,轻微的湿度就会分解,产生HF,损害电池性能,因此最后的极片需要完全的干燥。对于正极材料钛酸锂来说,溶剂的选择更加困难,因为正极材料处理过程中水容易和材料发生反应。正负极之间及电极本身的空隙之间的空隙被电解质填补。电解质是一种锂盐加有机溶剂和添加剂的混合物。电池隔膜是一类微观多孔隙薄膜,用来隔离正负极,防止接触发生短路。