三元材料具有能量密度高、放电容量大、循环性能好、结构比较稳定等优势,已成为锂电池正极材料的重要发展方向,并被广泛应用于新能源汽车、电动自行车、电动工具及3C等相关领域。
钴,元素符号Co,原子序数27,原子量58.9332,密排六方晶体,在周期表中位于第4周期、第Ⅷ族,常见化合价为+2、+3。钴是具有光泽的钢灰色金属,比较硬而脆,有铁磁性,加热到1150℃时磁性消失。在常温下不和水作用,在空气中加热至300℃以上时氧化生成CoO,在白热时燃烧成Co3O4。
钴的化合价为2价和3价。在常温下不和水作用,在潮湿的空气中也很稳定。在空气中加热至300℃以上时氧化生成CoO,在白热时燃烧成Co₃O₄。氢还原法制成的细金属钴粉在空气中能自燃生成氧化钴。由电极电势看出,钴是中等活泼的金属。其化学性质与铁,镍相似。高温下发生氧化作用。加热时,钴与氧,硫,氯,溴等发生剧烈反应,生成相应化合物。钴可溶于稀酸中,在发烟硝酸中因生成一层氧化膜而被钝化。钴会缓慢地被氢氟酸,氨水和氢氧化钠浸蚀。钴是两性金属。
钴的外貌和纯铁或镍相似,硬度铁,电解沉积出来的钴其硬度又高温生产的金属钴。钴中含有少量碳时(高达0.3%)会增大钴金属的抗张强度和耐压强度,而不会影响其硬度。钴可以机械加工,但略有脆性。钴的物理性质不仅在程度上依赖于钴的纯度,而且也依赖于存在的异形变体(或异形变体混合物),关于钴(即使其纯度99.9%)已报道的物理性质常会有不一致的数据,这大概只能用钴的两种异构变体之间转化速度很慢来加以解释。
制造电池设备是钴重要的用途,使用量占到全部钴使用量的40%。钴主要用来制作锂离子电池的钴酸锂,镍氢电池的氧化亚钴等。含钴材料是稳定的锂电池正极材料,是电池的核心之一,具有能量密度高和环保安全性高的特点。三元锂电池是指使用镍钴锰或者镍钴铝酸盐等三元材料为电池正极的锂电池。相对于传统锂电池,三元锂电池具有综合性能和低成本的双重优势。
三元聚合物锂电池是指正极材料使用锂镍钴锰或者镍钴铝酸锂的三元正极材料的锂电池,锂离子电池的正极材料有很多种,主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。其中磷酸铁锂作为正极材料的电池充放电循环寿命长,但其缺点是能量密度、高低温性能、充放电倍率特性均存在较大差距,且生产成本较高,磷酸铁锂电池技术和应用已经遇到发展的瓶颈;锰酸锂电池能量密度低、高温下的循环稳定性和存储性能较差,因而锰酸锂仅作为国际第1代动力锂电的正极材料;而多元材料因具有综合性能和成本的双重优势日益被行业所关注和认同,逐步磷酸铁锂和锰酸锂成为主流的技术路线。三元材料的电芯代替了广泛使用的钴酸锂电芯,在笔记本电池领域广泛使用。
三元锂电池是指采用镍钴锰三种过渡金属氧化物为正极材料的锂二次电池。它充分综合了钴酸锂良好的循环性能、镍酸锂的高比容量和锰酸锂的高安全性及低成本等特点,利用分子水平混合、掺杂、包覆和表面修饰等方法合成镍钴锰等多元素协同的复合嵌锂氧化物。是目前被广泛研究和应用的一种锂离子可充电电池。
三元锂离子电池由于采用了钴元素,其采矿和提炼过程可能会带来环境和社会问题。因此,在推广和使用三元锂离子电池时,需要关注可持续发展的原则,并积极寻求回收和再利用的方法,以减少对环境的影响。
三元锂离子电池能量密度高,循环性能好于正常钻酸锂。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钻酸锂离子电池水平。三元材料动力锂离子电池重要有镍钻铝酸锂离子电池、镍钻锰酸锂离子电池等,高温结构不稳定,导致高温安全性差,且pH值过高易使单体胀气,进而引发故障,现时条件下造价也不低。
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