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详解锂离子电池:让世界转动的电子应用能量载

时间:2018-11-14 14:49来源:未知 作者:秒速赛车 点击:
锂离子电池分布在我们生活的每一个角落,作为电能的载体和众多设备的动力来源,可以说,离开了锂离子电池,当今的物质世界就玩不转了(除非我们想倒退回几十年前)。那么,锂离

  锂离子电池分布在我们生活的每一个角落,作为电能的载体和众多设备的动力来源,可以说,离开了锂离子电池,当今的物质世界就玩不转了(除非我们想倒退回几十年前)。那么,锂离子电池到底是什么鬼?

  为了实现能量存储和释放过程中的化学稳定性,即电池充放电循环的安全性和长寿命,我们需要一种电极材料,在需要活泼的时候活泼,在需要稳定的时候稳定。经过长期的研究和探索,人们找到了几种锂的金属氧化物,如钴酸锂、钛酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰三元等材料,作为电池正极或负极的活性物质,解决了上述问题。如上图所示,磷酸铁锂的橄榄石结构也是一种非常稳定的正极材料结构,充放电过程中锂离子的脱嵌,并不会造成晶格坍塌。题外话,锂金属电池确实是有的,但与锂离子电池相比,几乎可以忽略不计,技术的发展,最终还是要服务于市场。

  当然,在解决了稳定性问题的同时,也带来了严重的“副作用”,就是作为能量载体的锂元素占比大大降低,能量密度降了不止一个数量级,有得必有失,自然之道啊。

  负极通常选择石墨或其他碳材料做活性物质,也是遵循上述的原则,既要求是好的能量载体,又要相对稳定,还要有相对丰富的储量,便于大规模制造,找来找去,碳元素就是一个相对优解。当然,这并不是唯一解,针对负极材料的研究很广泛,后面有论述。

  电解质是干嘛的?通俗的讲,就是游泳池里面的“水”,让锂离子能够自由的游来游去,所以呢,离子电导率要高(游泳的阻力小),电子电导率要小(绝缘),化学稳定性要好(稳定压倒一切啊),热稳定性要好(都是为了安全),电位窗口要宽。基于这些原则,经过长期的工程探索,人们找到了由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、和必要的添加剂等原料,在一定条件下、按一定比例配制而成的电解质。有机溶剂有PC(碳酸丙烯酯),EC(碳酸乙烯酯),DMC(碳酸二甲酯),DEC(碳酸二乙酯),EMC(碳酸甲乙酯)等材料。电解质锂盐有LiPF6,LiBF4等材料。

  隔离膜则是为了阻止正负极材料直接接触而加进来的,我们希望把电池做的尽可能的小,存储的能量尽可能的多,于是正负极之间的距离越来越小,短路成为一个巨大的风险。为了防止正负极材料短路,造成能量的剧烈释放,就需要用一种材料将正负极“隔离”开来,这就是隔离膜的由来。隔离膜需要具有良好的离子通过性,主要是给锂离子开放通道,让其可以自由通过,同时又是电子的绝缘体,以实现正负极之间的绝缘。目前市场上的隔膜主要有单层PP,单层PE,双层PP/PE,三层PP/PE/PP复合膜等。

  除了上面提到的4种主要材料之外,要想把锂离子电池从实验室的一个“实验品”变成一个可以商业化应用的产品,还需要其他一些不可或缺的材料。

  我们先看电池的正极,除了活性物质之外,还有导电剂和粘结剂,以及用作电流载体的基体和集流体(正极通常是铝箔)。粘结剂要把作为活性物质的锂金属氧化物均匀的“固定”在正极基带上面,导电剂则要增强活性物质与基体的电导率,以达到更大的充放电电流,集流体负责充当电池内外部的电荷转移桥梁。

  负极的构造与正极基本相同,需要粘结剂来固定活性物质石墨,需要铜箔作为基体和集流体来充当电流的导体,但因为石墨本身良好的导电性,所以负极一般不添加导电剂材料。

  除了以上材料外,一个完整的锂离子电池还包括绝缘片、盖板、泄压阀、壳体(铝,钢,复合膜等),以及其他一些辅助材料。

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  4000 mAh/g),最优的工作电势平台(0.3 V vs. Li/Li+ )且与电解液反应活性低(不与电解液发生溶剂共嵌入反应),受到世界各国的关注。一旦硅负极的研究取得实质性突破进展,不仅可以大幅度降低电池的成本,而且极大地提高了电池的体积比能量密度和续航能力。

  进一步,他们开发了LixSi颗粒的表面包覆技术(图8),通过1-fluorodecane 的还原,可以在LixSi颗粒的表面产生连续且致密的包覆层,类似人造SEI的形成。其组成为LiF 和具有长疏水性碳链的碳酸烷基酯锂,该预锂化剂可以在干燥的环境中储存达5天以上,即使在潮湿的空气中(相对湿度约10%)可以稳定6 h左右,该预锂化剂成功应用于高容量的硅、锡、石墨等负极材料的预锂化处理。秒速赛车彩票:最近,他们采用SiO或SiO2为前驱体用相似的固相熔融冶金过程制备了高度稳定的预锂化剂,LixS纳米颗粒均匀分散在晶态的Li2O基底中,该复合材料在相对湿度40%的空气中仍具有优异的稳定性。

  既然具有这么多优势,为什么钾离子电池不能进入市场代替锂电?甚至在学术研究中,热度也比不上锂电和钠电?主要原因是钾离子半径大,导致其在电极材料中的嵌入和脱嵌变得相对困难,充放电过程中材料体积变化大,电池循环寿命低,容量和倍率性能难以保证。因此,开发一种钾离子易于嵌入和脱嵌且体积膨胀小的电极材料,对于钾离子电池的发展具有重要意义。

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