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并不太阳能锂电池会造成晶格坍塌

时间:2020-08-07 00:27:01 来源:扬州麒麟照明 点击:

  锂离子电池内部需要包含几种基本材料:正极活性物质、负极活性物质、隔离膜、电解质。下面做简单论述,这些材料都是干嘛的。

  正负极不难理解,要实现电荷移动,就需要存在电位差的正负极材料,那么什么是活性物质?我们知道,电池实际上是将电能和化学能相互转换,以实现能量的存储和释放。要实现这个过程,就需要正负极的材料很“容易”参与化学反应,要活泼,要容易氧化和还原,从而实现能量转换,所以我们需要“活性物质”来做电池的正负极。

  上面已经提到,锂元素是我们做电池的优选材料,那么为什么不用金属锂来做电极的活性物质呢?这样不是可以达到的能量密度吗?

  氧(O)、钴(Co)、锂(Li)三种元素构成了非常稳定的正极材料结构(图中的比例和排列仅作参考),负极石墨的碳原子排列也具有非常稳定的层状结构。正负极材料不但要活泼,还要具有非常稳定的结构,才能实现有序的,可控的化学反应。不稳定的结果是什么?想想汽油燃烧和炸弹爆炸,能量剧烈释放,这个化学反应的过程实际上是无法人为去控制的,于是化学能变成了热能,一次性把能量释放完毕,而且不可逆。

  金属形态存在的锂元素太“活泼”了,调皮的孩子多半都不听话,喜欢搞破坏。早期针对锂电池的研究,确实是集中以金属锂或其合金作为负极这个方向,但是因为安全问题突出,不得不寻找其他更好的路径。近年来,随着人们对能量密度的追求,这个研究方向又有“满血复活”的趋势,这个我们后面会讲到。

  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,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,既要求是好的能道路灯箱量载体,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。

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