太陽能（néng）移動電源25.2V磷酸鐵鋰電池說明書（shū）

隨著對（duì）智（zhì）能手機，電動汽車和可再生能源的需求（qiú）持續增長，科學家們正在尋找改進（jìn）鋰離子電（diàn）池的方（fāng）法-鋰離子電池是家（jiā）用電子產品中最常見的電池類型，也是電網規模儲能的有前途的解決（jué）方案。提高（gāo）鋰離子電池的能量（liàng）密度可以促進具有長效電池的先進技術的發展，以及風能和太陽能的廣泛（fàn）使用。現在，研究人員在實現這一目標方（fāng）麵取得了重大進展。

由馬裏蘭大學(UMD)，美國能源部(DOE)布魯克海文國（guó）家實（shí）驗室和美國陸軍研究實驗室（shì）的科學家領導的合作（zuò）開發並（bìng）研究了一種能夠使鋰離子能（néng）量密度增加三倍的新型陰極材料。電池電極。他們的研究成果於6月13日在NatureCommunications上發表。
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“鋰離子電池由陽極和陰極組成，”UMD科學家和該論文的主要作者之一的秀林（lín）秀說。“與鋰離（lí）子（zǐ）電池中（zhōng）使用的商用石墨陽極（jí）的大容量相比，陰極的容量更加有限。陰（yīn）極材料始終是進一步提高鋰離子電池能量密度的瓶頸。”

UMD的科（kē）學家們合成了一種新的陰極材料，這是一種改良的工（gōng）程形式的三（sān）氟化鐵(FeF3)，由經濟有效（xiào）和環境友好的元素-鐵和氟組成。研究人員一（yī）直對在鋰離（lí）子電池中（zhōng）使用FeF3等化合物感興趣，因為它們具有比傳統陰極材料更高的容量。

“通常用於鋰（lǐ）離子電（diàn）池的材料都是基於插層化學，”布魯克海文的化學家和該論文的主要作者之一EnyuanHu說。“這種類型（xíng）的化學反應是非常（cháng）有效的;但是，它隻轉移一個（gè）電（diàn）子，因此陰極容量是（shì）有限（xiàn）的。一些化合（hé）物如FeF3能（néng）夠通過更複雜（zá）的（de）反應機製（zhì）轉移多個電子，稱為（wéi）轉化反應（yīng）。”
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盡管FeF3具有增（zēng）加陰極容量的潛力，但（dàn）該化（huà）合（hé）物在鋰離子電池中的表現並不（bú）理想，因為其（qí）轉化反應存在三個並發症：能（néng）效差(滯後)，反應速度慢，副反應（yīng）可能導致循環壽（shòu）命不佳。為了克服（fú）這些挑戰，科學家們通過一種稱為（wéi）化學（xué）替（tì）代的過程（chéng）將鈷和氧原子添加到FeF3納米棒中。這使科（kē）學（xué）家能夠操縱反應途徑並使其更具（jù）“可（kě）逆性（xìng）”。

“當鋰離（lí）子被插入到FeF3中時（shí），這種物質會轉化為鐵（tiě）和氟化鋰（lǐ），”該論文的合著者和（hé）布魯克海文功能納米材（cái）料中心(CFN)的科（kē）學家SooyeonHwang說。“然而（ér），反應不是完全可逆的。用鈷和氧取代後，陰（yīn）極材料的主要骨架更好地（dì）保持，反應變得更加可逆。”
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為了研究反（fǎn）應途徑（jìng），科學家們在CFN和（hé）國（guó）家同步加速器光源II(NSLS-II)-布魯克海文的兩個DOE科學用戶設施（shī）辦（bàn）公室進行了多次實驗。

首先在（zài）CFN，研究人員使用強大的（de）電子束以0.1納米的分辨（biàn）率觀察FeF3納米棒-一種稱為（wéi）透射電子顯微鏡(TEM)的技術。TEM實驗使研究人員能夠確定陰極結構中納米顆粒的確切尺寸，並分析結構在充電-放（fàng）電（diàn）過程的不同階段之間如何變化。他們看到取代納米棒（bàng）的（de）反應速度更快。

“TEM是一種用於表征非常小尺度材（cái）料的強大工具，它還能（néng）夠實時研究（jiū）反應過（guò）程，”CFN的科（kē）學家和該研究的共同作者DongSu說（shuō）。“然而，我們隻能使用TEM看到非常（cháng）有限的樣品區域。我們需（xū）要依靠NSLS-II的同步加速器（qì）技術來了解整個電池的功能。”
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在NSLS-II的X射線粉末衍射(XPD)光束線上，科（kē）學家們通過（guò）陰極材（cái）料引導了超亮X射線。通過分析光散射的方式，科（kē）學家們可（kě）以（yǐ）“看到”有關材料結構的其他信息。

“在XPD，我們（men）進行了配對分布功能(PDF)測量，能夠檢測大量的當地（dì）鐵排序，”該論文的合著者和NSLS-II的科（kē）學家白建明說。“對放電陰極的（de）PDF分（fèn）析清楚地表明，化學替代促進了電化學的可逆性。”
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在CFN和NSLS-II上結合高度先進的成像和（hé）顯微技術是評估陰極材料功能的關鍵步驟（zhòu）。

“我（wǒ）們還進行了基於密度泛函理論的先進計算方法，以破解原子尺度的反應機製，”UMD的科學家，該論文的共同作者肖驥說。“這種方（fāng）法表明化學替代通過減少鐵的粒徑和穩定岩鹽相將反應轉（zhuǎn）變為高度可逆的狀（zhuàng）態。”UMD的科學家表（biǎo）示，這種研究策（cè）略可以應用於（yú）其他高能轉（zhuǎn）換材料，未來的研究可能使（shǐ）用該方法來改進其他電池係統。

近年來，隨著鋰電技術的不斷進步與實際成本逐漸下降，鋰電池在電動工具領域的應用越來（lái）越多（duō），現階段各（gè）大巨頭（tóu）廠商提（tí）出電動工具無繩化的想法後，使（shǐ）得鋰電池在電動工具領域有著（zhe）廣闊的前景空間。

與此同時，人工智能的興起，鋰電家居產品、園林工具等新興智能工具（jù）類（lèi）產品得到了迅速發展的機（jī）會，鋰電池的應用並不再局限於單（dān）個領域。其（qí）中（zhōng）根據業內（nèi）人士稱（chēng），鋰電類電動工具、園林（lín）工（gōng）具未來市場（chǎng）趨（qū）勢（shì）正如清晨的朝陽。電動工具鋰（lǐ）電化除（chú）了市場的推動與自身潛力外，還得到了國家地區政策的支持。例（lì）如歐盟早已禁止無線電動工具（jù）使用鎳鉻電（diàn）池，鋰電電動工具的普及率與替換率也遠遠領先於國內市場;中國則是重新製（zhì）定了電動工具鋰電池使用行業標準。

鋰電化無繩化意味著電動工具將會朝著更小體積、更（gèng）輕重（chóng）量（liàng）、更低噪聲等方向發展，然而仍不可避免“副作（zuò）用（yòng）”的出現，那（nà）就是鋰電池中的鋰離子熱失控。鋰離子的工作溫度範圍是在（zài）+15～+45攝（shè）氏度之間，如果溫度超出臨界水平，則（zé）會導致電池單元功能安（ān）全、使用壽命縮短、不穩定性以及可能發生（shēng）的熱失控。
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那麽鋰電池中（zhōng）鋰離（lí）子是如何發生熱失控的呢（ne）?如果工具發生強烈的碰撞或高處跌落，電池有（yǒu）可能發生變形;材料則會滲透到電池裏，引起內部短路或外部（bù）短路的現象;再者過度（dù）充電或快速充電時電流過大（dà），極其有（yǒu）可能會永（yǒng）久損壞電池。
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熱失控發生後就猶（yóu）如（rú）多米諾（nuò）骨牌效應一樣，電池中（zhōng）儲存的能量會突然釋放，從而產生火災。另外電池數（shù）量越多、能量密度越高、充放電功率（lǜ）越大，就意味著發生起火故障的概率就越（yuè）高。

為（wéi）了確保把熱失控的風險降到最低，伊利諾伊大（dà）學芝加哥分校研究人員發布了一份研（yán）究報告，報（bào）告中表（biǎo）明，石墨烯材料可（kě）以從鋰離子電池著火時吸走氧氣，可以防（fáng）止陰極釋放的氧氣與（yǔ）電池內其他易燃品相結合，從而降低（dī）起火風險，減少事故損失。