17年專(zhuān)注鋰電池定製

電(diàn)力監測設(shè)備專用36V寬溫鋰電(diàn)池優缺點比較(jiào)

來源:邦立威    2019-11-21    點擊量:167

隨著對智能手機,電(diàn)動汽車和可再生能源的需求持續增長,科學家們正在尋找改進鋰離子電(diàn)池的方法-鋰離子電池是家用電子產品中最常見的電池類型,也是電網規模(mó)儲能的有前途的解決方案。提高鋰離子電池的能量密度可以促(cù)進具有長效電池的先進技術的發展,以及風能和太陽(yáng)能的廣泛使用。現在,研究人員(yuán)在實現這一目標方麵取得了重大進展。
電力監(jiān)測設備專用36V寬溫鋰電池優缺點比較(jiào)
由馬裏蘭大學(UMD),美國能源(yuán)部(DOE)布魯克海(hǎi)文國家實驗室和(hé)美國陸軍研究實驗室的科學家領導的合作開發並研究(jiū)了一種能夠使鋰離子能量密度增加三倍的新型陰極材料。電池電極。他們的研(yán)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秀說。“與鋰離子電池中使用的商用石墨陽極的大容量相比,陰極的容量更加有限。陰極材(cái)料始終是進一步提高鋰離子電池能量(liàng)密度的瓶頸。”

UMD的科學家們合成了一種新的陰極材料,這是一種改良的工程形式的三氟(fú)化鐵(tiě)(FeF3),由經濟有效和(hé)環境(jìng)友好的元素-鐵和氟組成。研(yán)究人員一直對(duì)在鋰離(lí)子電池(chí)中使(shǐ)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。
電力監測設備專用(yòng)36V寬溫鋰電(diàn)池優缺點比較
“通常用於鋰離子電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(zhě)之一EnyuanHu說。“這種類型(xíng)的化學反應是(shì)非常有效的;但是,它隻轉移一個電子,因此(cǐ)陰極(jí)容量是有(yǒu)限的。一(yī)些化合物如FeF3能夠通過更複雜的反應機製轉移多個電子,稱為轉化反(fǎn)應。”
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盡管FeF3具有增加陰極(jí)容(róng)量(liàng)的(de)潛力,但該化合(hé)物在鋰離子電池(chí)中的表現並不理(lǐ)想(xiǎng),因為(wéi)其轉化反應(yīng)存在三個並發症:能效差(滯(zhì)後),反應速度慢,副反應可能導致循(xún)環壽命不佳。為了克服這些挑戰,科學(xué)家們通過一種稱為化學替代(dài)的過程將鈷和氧(yǎng)原子添加到FeF3納米棒中。這(zhè)使科學家能夠操(cāo)縱反應途徑並(bìng)使其更具“可逆性”。

“當鋰離子被插入到FeF3中時,這種物質會轉化為鐵和氟化鋰,”該論文的(de)合著(zhe)者和布魯克海文功能納米材料中心(CFN)的科學家SooyeonHwang說。“然而(ér),反應不是完全可逆的。用鈷和氧取(qǔ)代後,陰(yīn)極材料的主要骨架更好地保持,反應變得(dé)更加可逆。”
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為了研究反(fǎn)應(yīng)途徑,科學家們(men)在CFN和國家同步(bù)加速器光源II(NSLS-II)-布魯克海文的兩個DOE科(kē)學用戶設施辦公室進行了多次實驗(yàn)。

首先在CFN,研究人員使用強(qiáng)大的(de)電子束以0.1納米的分辨率觀察FeF3納米棒(bàng)-一種稱為透射電子顯微(wēi)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(qiē)尺寸,並分析結構在充電-放電過程(chéng)的不同階段之間如何變化。他們看到(dào)取代納米棒的反(fǎn)應速度更快。
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“TEM是一種用於(yú)表征非常小尺度材料的強大工具,它還能夠實時研究反應過程(chéng),”CFN的科學家和該研究的(de)共同作者DongSu說。“然而,我們隻能使用TEM看到非常有(yǒu)限的樣品區域。我們需要依靠NSLS-II的同步加速器技術來了解整個電池的功能。”
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NSLS-II的X射線粉末衍射(XPD)光束線(xiàn)上,科(kē)學家們(men)通過陰極材料引(yǐn)導了超亮X射線。通過分析光(guāng)散射的方式,科學家們(men)可以“看到”有關材料結構的其他信息。

“在XPD,我們進行了配對分布功能(PDF)測量,能夠檢測大量的(de)當地鐵排序,”該(gāi)論文的(de)合著者(zhě)和NSLS-II的科學家白建明說。“對放電陰極的PDF分(fèn)析清楚地表明,化學(xué)替代促進了電化學的可逆性。”
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CFN和(hé)NSLS-II上結合(hé)高度先進(jìn)的成像和顯微技(jì)術(shù)是評估陰極材料功(gōng)能的關鍵步驟。
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“我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(de)反應機(jī)製(zhì),”UMD的科學家,該(gāi)論文的共(gòng)同作者肖驥(jì)說。“這種方法表明化學替代通過減少鐵的粒徑和穩定岩鹽相將(jiāng)反應(yīng)轉(zhuǎn)變(biàn)為高度可逆的狀(zhuàng)態。”UMD的科(kē)學家(jiā)表示,這種研究策略可(kě)以應用於其他高能轉換材料,未來的研究可能使用該方法來改進其(qí)他電池係統。

近(jìn)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(yòng)越來越多,現階段各大巨頭廠商提出電動(dòng)工具無繩化(huà)的(de)想法後,使得鋰電池在電動工具(jù)領域有著廣闊的前景空間。

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類產品得到了迅速發展的機會,鋰電池的應用並不再局限(xiàn)於(yú)單個領域。其中根據業內人士稱,鋰電類(lèi)電動工(gōng)具、園(yuán)林工(gōng)具未來市場趨勢正如清晨的朝陽。電動工具鋰電化除(chú)了市(shì)場的推動與自身(shēn)潛力外,還得到了國家地區政(zhèng)策的支持。例如歐盟早已禁止無線(xiàn)電(diàn)動工具使用鎳鉻(gè)電池,鋰電電動工具的普及率與替換率也遠(yuǎn)遠領先於國內市場;中國則是(shì)重新製定了電動工具鋰(lǐ)電池使用行(háng)業標準(zhǔn)。
電力監測設備專用36V寬溫鋰電池優缺點比(bǐ)較
鋰電化無繩化意味著(zhe)電動工具將會朝著更小體積、更輕重量、更低噪(zào)聲等方(fāng)向發展,然而(ér)仍不可避免“副作用”的出現,那就是鋰電池(chí)中(zhōng)的鋰離(lí)子熱(rè)失控。鋰離子的工作溫度範圍是在(zài)+15~+45攝氏度之間,如果溫度超出臨界水平,則會導致電池(chí)單元功能安全、使用壽命縮短、不穩(wěn)定性以及可能發生的熱失控。
鋰電(diàn)池的(de)分容是非常重要的
那麽鋰電池中鋰離子是如何發生熱失控的呢?如(rú)果工具發生強烈的碰撞(zhuàng)或高處跌(diē)落,電池有(yǒu)可能發生(shēng)變形(xíng);材料則會滲(shèn)透(tòu)到電池裏,引起內部短路或外部短路的現象;再者過度充電或快速充(chōng)電時電流過大,極其有可能(néng)會永久損壞電池。
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熱失控發生後就猶如多米諾骨(gǔ)牌效應一樣,電池中儲存的能(néng)量會突然釋放,從而產生火災。另外電池數量越多、能量密度越高、充放電功(gōng)率越大,就意(yì)味著發生起火故障的概率就越高。

為了確保把熱失控的風險降到最低,伊(yī)利諾(nuò)伊大學芝(zhī)加哥分校研究人員發布了一份研究報告,報告中表明,石墨烯材料可以從鋰離子電池(chí)著火時吸走氧(yǎng)氣,可以防止(zhǐ)陰極釋放的氧(yǎng)氣與電池內其他易燃品相結合,從而降低起火風險,減(jiǎn)少(shǎo)事故損失。

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