三元锂离子电池寿命及优缺点

什么是三元锂离子电池？

在自然界中，锂是原子质量最小的最轻金属，其原子量为6.94g/mol，ρ=0.53g/cm3。锂具有化学活性，容易失去电子并氧化为Li+。因此，标准电极电势在-3.045V时为最大负值，最小电化学当量为0.26g/Ah。锂的这些特性决定了它是特定的高能材料。三元锂离子电池是指使用三种镍钴锰过渡金属氧化物作为正极材料的二次锂离子电池。它完全结合了钴酸锂循环的良好性能，镍酸锂的高比容量以及锰酸锂的高安全性和低成本，是通过混合，掺杂，涂覆和表面改性的方法合成镍的在分子水平上具有多种元素（例如钴和锰）的复合锂插层氧化物。它是已被广泛研究和应用的可再充电锂离子电池。

三元锂离子电池寿命

所谓锂离子电池寿命是指在使用一段时间后，电池容量分解为标称容量的70％（室温下25°C，标准大气压下已放电并已放电的电池容量）。在0.2C时），可以视为使用寿命的终点。在工业上，循环寿命通常由锂离子电池充满和放电时的循环次数来计算。在使用过程中，锂离子电池内部将发生不可逆的电化学反应，这将导致容量降低，例如电解质击穿，活性材料失活，正负电极结构崩溃以及内部和外部锂离子数量的减少。实验表明，较高的放电速率将导致容量下降更快，假如放电电流较低，则电池电压将接近平衡电压并释放更多的能量。

三元锂离子电池的理论寿命约为800次循环，这是商用可充电锂离子电池中的平均寿命。磷酸铁锂持续约2,000个循环，而钛酸锂达到10,000个循环。目前，传统的电池制造商已经承诺其三元电池的规格超过500倍（在标准条件下进行充电和放电），但是在将电池组组装成电池组之后，由于问题电阻，电阻和内部电阻的关系不能完全相同，其寿命约为400倍。制造商建议SOC使用窗口为10％到90％。不建议进行深度充电和放电，否则将对电池的正负电极结构造成不可逆转的损坏。假如通过表面电荷和表面放电计算，则循环寿命至少为1,000次。另外，假如锂离子电池经常在高速和高温环境中放电，则电池寿命将显着缩短至不足200倍。

三元锂离子电池的优缺点

三元锂离子电池在容量和安全性方面相对平衡，并且是具有优异的整体性能的电池。这三种金属元素的重要功能，优缺点如下：

Co3+：减少阳离子的混合占用，稳定材料的层状结构，降低电阻值，提高电导率并提高循环性能和速度。Ni2+：可以新增材料的容量（新增材料体积的能量密度）。由于Li和Ni的半径相似，过多的Ni也会由于与Li的位错以及锂层中镍离子的浓度而引起锂镍的混合放电。锂越大，在层状结构中将其去交织就越困难，从而导致不良的电化学性能。

Mn4+：不仅可以降低材料成本，而且可以提高材料的安全性和稳定性。但是，假如Mn的含量过多，则容易出现尖晶石相，破坏层状结构，因此会降低循环的容量和衰减。

高能量密度是三元锂离子电池的最大优势，电压平台是电池能量密度的重要指标，它决定了电池的基本效率和成本。具有较高电压平台的An-time电池和三元材料锂离子电池的电池寿命更长。单个三元锂离子电池的放电电压平台高达3.7V，磷酸铁锂为3.2V，钛酸锂仅为2.3V。因此，从能量密度的角度来看，三元锂离子电池要优于磷酸锂，锰酸锂或钛酸锂具有绝对优势。

安全性差和循环寿命短是三元锂离子电池的重要缺点，特别是安全性能，这已成为限制其大规模执行和大规模集成应用的重要因素。大量实际测试表明，大容量三元电池难以通过针灸和超负荷等安全测试，这也是大容量三元电池通常引入更多锰甚至使用锰酸盐的原因。锂电500倍的生命周期处于锂离子电池的中间，因此三元锂离子电池最重要的应用领域是消费电子产品，例如数字3C。