5、鎳鈷鋁酸鋰(LiNiCoAlO2或稱NCA)
鎳鈷鋁酸鋰電池或NCA自1999年以后被應(yīng)用。它具有較高的比能量,相當好的比功率和長的使用壽命與NMC有相似之處。不太討人喜歡的是安全性和成本。圖11總結(jié)了六個關(guān)鍵特征。NCA是鋰鎳氧化物的進一步發(fā)展;加入鋁賦予電池更好的化學穩(wěn)定性。
鋰鎳鈷鋁氧化物(NCA)是一組包含的物質(zhì)的金屬氧化物。由于它們在鋰離子電池中的應(yīng)用,其中一些很重要。NCA 用作正極(電池放電時的陰極)上的活性材料。NCA 是包含化學元素鋰、鎳、鈷和鋁的陽離子的混合氧化物。最重要的代表有通式 LiNixCoyAlzO2與x+y+z= 1. 如果 NCA 包含目前市場上可用的電池,這些電池也用于電動汽車和電器,x≈ 0.8,并且這些電池的電壓在 3.6 V 和 4.0 V 之間,在標稱電壓為 3.6 V 或 3.7 V。 目前在 2019 年使用的一種氧化物是 LiNi0,84Co0,12Al0,04O2。
NCA 電池:制造商和使用
NCA電池最重要的制造商是松下或松下的合作伙伴特斯拉,因為特斯拉在其車型的牽引電池中使用NCA作為活性材料。在特斯拉模型 3和特斯拉模型 X 中,使用 LiNi0,84Co0,12Al0,04O2。除了少數(shù)例外,截至 2019 年,當前的電動汽車使用 NCA 或鋰鎳錳鈷氧化物(NMC)。NCA除了用于電動汽車外,還用于電子設(shè)備的電池,主要通過松下、索尼和三星無繩真空吸塵器也配備 NCA 電池。
NCA 制造商
NCA 的主要生產(chǎn)商及其 2015 年的市場份額為住友金屬礦業(yè),占 58%,戶田工業(yè)(巴斯夫)占 16%,日本化學產(chǎn)業(yè)占 13%,Ecopro 占 5%。[6]住友向特斯拉和松下供貨,2014 年能夠每月生產(chǎn) 850 噸 NCA。[8]2016 年,住友將其月產(chǎn)能提高到 2550 噸,2018 年提高到 4550 噸。[8]在中國,在同仁縣的青海省,工廠自2019開工建設(shè),初期將每月生產(chǎn)1500噸NCA的。
NCA 的屬性
NCA 的可用電荷存儲容量約為 180 至 200 mAh/g。[11]這遠低于理論值;對于 LiNi0,8Co0,15Al0,05O2 來說,這是 279 mAh/g。[1]然而,NCA的容量明顯高于替代材料,如鈷酸鋰LiCoO2148 mAh/g、磷酸鐵鋰LiFePO4165 mAh/g和NMC 333 LiNi0,33Mn0, 33Co0,33O2具有 170 mAh/g。[1]像 LiCoO2NMC、NCA屬于層狀結(jié)構(gòu)的正極材料。由于電壓高,NCA 使電池具有高能量密度。NCA的另一個優(yōu)勢是其出色的快速充電能力。缺點是鈷和鎳的成本高,資源有限。
這兩種材料 NCA 和 NMC 具有相關(guān)的結(jié)構(gòu)、非常相似的電化學行為并表現(xiàn)出相似的性能,特別是相對較高的能量密度和相對較高的性能。據(jù)估計,Model 3 的 NCA 電池含有 4.5 至 9.5 公斤鈷和 11.6 公斤鋰。
與NCA密切相關(guān)的鋰鎳氧化物LiNiO2,或氧化鎳NiO2本身,由于其機械不穩(wěn)定、容量損失迅速且存在安全問題,尚不能用作電池材料。
富含鎳的 NCA:優(yōu)點和局限性
NCAs LiNixCoyAlzO2x ≥ 0.8 稱為富鎳;[13]這些化合物是物質(zhì)類別中最重要的變體。富鎳變體的鈷含量也很低,因此具有成本優(yōu)勢,因為鈷相對昂貴。此外,隨著鎳含量的增加,電壓也會增加,從而可以存儲在電池中的能量也會增加。然而,隨著鎳含量的增加,電池熱分解和過早老化的風險也會增加。當?shù)湫偷?NCA 電池被加熱到 180 °C 時,它會發(fā)生熱失控。[14]如果電池之前被過度充電,即使在 65 °C 下也會發(fā)生熱失控。[14]NCA 中的鋁離子增加了穩(wěn)定性和安全性,但它們降低了容量,因為它們本身不參與氧化和還原。
材料的改進
為了使 NCA 具有更高的耐受性,特別是對于需要在 50 °C 以上的溫度下運行的電池,通常會對 NCA 活性材料進行涂層。研究中證明的涂層可能包含氟化物,例如氟化鋁AlF3、結(jié)晶氧化物(例如 CoO2、TiO2、NMC)或玻璃狀氧化物(二氧化硅SiO2)或磷酸鹽(例如FePO4 )。
圖11:NCA電池 高能量和功率密度以及良好的使用壽命使NCA成為EV動力系統(tǒng)的候選者。高成本和邊際安全性卻有負面的影響。 |
匯總表
鎳鈷鋁酸鋰: LiNiCoAlO2陰極(?9 %Co),石墨陽極 簡稱:NCA或鋰鋁。始于1999年 | |
電壓 | 標稱值為3.60V;典型工作范圍3.0-4.2V |
比能(容量) | 200-260Wh/公斤; 預(yù)測可以達到300Wh/kg |
充電(C率) | 0.7C,充電至4.20V(大多數(shù)電池),典型的3小時充電,一些電池可以快速充電 |
放電(C率) | 1C典型;截止3.00V;高放電速率會縮短電池壽命 |
循環(huán)壽命 | 500(與放電深度,溫度有關(guān)) |
熱失控 | 典型值為150°C(302°F),高電荷會導(dǎo)致熱失控 |
應(yīng)用 | 醫(yī)療設(shè)備,工業(yè),電動動力總成(特斯拉) |
注釋 | 與鈷酸鋰有相似之處。能量型電池。 |
表12:鎳鈷鋁酸鋰的特性
2024-10-16 11:29
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