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时间:2021年04月30日 来源:

我国锂电研究者正在开展大量原创工作

中美日韩德英等国都制定了各自的电池发展战略,以期推动电池原理的创新以及技术的开发,支撑当代社会的可持续发展。我国锂电研究者们在国家和社会的支持下,围绕高效能量存储这个不变的“初心”,持续开展科学研究。

目前锂电池领域主流研究方向仍聚焦在寻找更安全高效的负极材料。由笔者带领的清华大学研究团队从2013年开始,在金属锂负极形核和无枝晶生长领域开展了原创性的科学研究。

研究发现,在金属锂负极中添加具有亲锂性的掺氮碳骨架,让电池中游离的锂离子在充电初始,就像小蝌蚪找妈妈一样,优先奔向青蛙妈妈——掺氮位点,在电池中形成均匀分布的金属锂“小团体”;在充电过程中,“小蝌蚪和青蛙妈妈”的“小团体”继续“抱团”。这种均匀沉积的行为可以避开以往形核少而产生的金属锂枝晶生长。

基于上述成果的论文2017年被化学领域期刊《德国应用化学》选为封面,今年还入选了由北京市科学技术协会主办的“北京地区广受关注学术论文”评选活动。研究团队在上述能源化学机理的基础上,进一步设计了碳锂复合负极。


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锂电材料不断产生 锂电池未来会更精彩


近日,2019年诺贝尔化学奖颁给了美国德州大学奥斯汀分校约翰·古迪纳夫、美国纽约州立大学宾汉姆分校斯坦利·威廷汉和日本旭化成株式会社吉野彰三人,以表彰他们对锂离子电池研发的贡献。那么,锂电池是如何研发出来的?未来的发展将会怎样?

1 没有锂电池就没有移动智能生活

我们早已生活在一个“可充电的世界”,但真正带来电子设备便携化,开启了现代移动生活的则是锂电池。可以说,如果没有锂电池,就没有我们现在的移动智能生活。

锂电池因重量轻、可充电、功能强大且便携,被广泛应用于从手机到笔记本电脑等各个领域。它在全球范围内用于为便携式电子设备供电,我们使用这些便携式电子设备通讯、工作、学习和娱乐。

锂电池还促进了长续航电动汽车的开发以及来自可再生能源(例如太阳能和风能)的能量存储,为实现一个无线(可移动)、无化石燃料的社会打下基石。可以说,锂离子电池作为能源存储器件,彻底地改变了人类的生活。

此次诺贝尔化学奖授予三位锂电领域的科学家,是对每一位为锂电池从无到有、从实验室走向商业化做出贡献的锂电从业者的认可,是对仍在从事锂电研究和志在继续推动清洁、便携社会发展的人们的激励。





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极化和内阻


电池放电时所有这些能量都不能完全转化为电能,电化学反应总是伴随着能量的损失,这些能量损失包括:1)活化极化--它引起电极表面的电化学反应 2)浓差极化--它是由于电极表面和体相中反应物和产物浓度的不同而产生的,是物质传递的结果。极化的存在消耗了部分能量,并以热的形式放出。

极化(polarization)

电池在充放电过程中是存在极化的,通常可将锂离子电池极化分为欧姆极化、电化学极化和浓差极化三类。几类极化各自的响应速度也不一样。影响极化程度的因素很多,但一般情况下充放电电流密度越大,极化也就越大。

以下分类解释一下:

(1)欧姆极化

顾名思义,有锂离子电池的欧姆内阻引起的极化,叫欧姆极化,也成电阻极化。电池的欧姆内阻(R)由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成(有些解释还把膜电阻也算上),通过一定的电流时,其极化电势可以计算,E=IR(欧)。

欧姆极化是瞬时发生的。

(2)电化学极化

指由于正、负极上电化学反应速度小于电子运动速度而造成的极化。电化学极化一般认为是微秒级的

(3)浓差极化

指由于参与反应的锂离子在固相中的扩散速度小于电化学反应速度而造成的极化。浓差极化一般认为是秒级的。

应对锂电池安全的大敌“枝晶”

我们都知道,电池分为正极、负极和电解质,通过氧化还原反应来产生电流,放电时离子从负极流向正极,充电时从正极流向负极。

对锂电池来说,放电时锂会被氧化成离子进入电解质终抵达正极;重新充电时,这些锂离子会再沉积到锂金属负极的表面。

但是这种沉积往往不均匀,随着锂电池的频繁使用,锂金属表面会长出针状或树枝状的锂枝晶。枝晶生长得过长就会折断,不再参与反应,给电池体系带来不可逆的容量损失;危险的是,长大的枝晶会刺破电池正负极之间的隔膜,造成短路,埋下电池过热自燃或的安全隐患。

锂电领域里,如何做到“鱼与熊掌兼得”?如何通过提出新原理、新体系、新方法,实现能量密度更高、更安全、充电更快的储能过程?这些都是锂电领域未来面临的挑战。

在这样的形势下,涌现出了锂硫电池、锂空电池、钠离子电池等许多新体系电池。新材料的不断产生,也给这些新体系的发展带来了新机遇。 锂电池电压检测电路,武汉格瑞斯新能源有限公司。

锂电池充电电路及保护电路方案设计


锂电池特性




首先,芯片哥问一句简单的问题,为什么很多电池都是锂电池?



锂电池,工程师对它都不会感到陌生。在电子产品项目开发的过程中,尤其是遇到电池供电的类别项目,工程师就会和锂电池打交道。



这是因为锂电池的电路特性决定的。



众所周知,锂原子在化学元素周期表中排在第三位,包含3个质子与3个电子,其中3个电子在锂原子核内部的分布对它的化学与物理特性起到决定性作用。


元素周期表



锂原子核外层的3个电子,只有外层的1个电子是自由电子,另外2个电子不属于自由电子,也就是不参与锂原子的电子性能。



为什么会选用锂元素作为电池的材料呢?



这是因为,锂原子虽然外层只有1个电子,但它的相对原子质量却只有7。换句话说,在相同的质量密度条件下,锂原子所带的电能是多的。



以铝元素为例进行对比,可以直观的得出结论。



铝元素,在元素周期表排在13位,外层自由移动的电子数是3,相对原子质量是27。

也就是如果用质量为27的铝元素制造电池,它的电能是3;



如果用相同质量为27的锂元素制造电池,它的电能是27*(1/7),大约为3.86。



显然,在电能方面,锂元素的3.86是要超过铝元素的3。这就是为什么锂电池如此受欢迎的原因理论解释。



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