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改进电化学功用 浅谈纳米技术正在锂离子电池中的运用-205522.com-澳门金沙9159.com

2017-05-04

锂离子电池作为高效元件,曾经普遍的运用正在消耗电子范畴,从手机到笔记本电脑皆有锂离子电池的身影,锂离子电池获得云云光辉的结果得益于其超下的密度,和优越的平安机能。跟着手艺的不断发展,锂离子电池的能量密度、功率密度也正在络续的进步,那个中纳米技术做出了不可磨灭的孝敬。

  提及纳米技术正在锂离子电池中的运用,小编第一个想到的就是LiFePO4,LiFePO4因为导电性差,为了改进其导电性,人们将其制备成了纳米颗粒,极大的改进了LiFePO4的电化学机能。另外硅负极也是纳米技术的受益者,纳米硅颗粒很好的抑止了Si正在嵌锂的历程中的体积收缩,改进了Si质料的轮回机能。

  克日美国阿贡国度实验室的Jun Lu正在Nature nanotechnology杂志上发表文章,对纳米技术正在锂离子电池上的运用停止了总结和回忆。

  正极质料

  1.LiFePO4质料

  LiFePO4质料热稳定性好、本钱低特性,吸引了人们的普遍存眷,然则因为LiFePO4质料内部奇特的共价键构造,使得LFP质料的电子电导率很低,因而限定了其下倍率充放电机能,为此人们将LFP质料制成纳米颗粒,并接纳导电质料(比方碳)、导电聚合物和金属等质料停止包覆。另外人们借发明经由过程背纳米LFP颗粒内应用非化学计量比固溶体搀杂要领掺入高价金属阳离子,能够将LFP纳米颗粒的电子导电性进步108,从而使得LFP质料能够正在3min以内完成充放电,这一点关于电动汽车而言尤其主要。

  下图a为LFP晶体正在(010)方向上的晶体机构,晶体中「PO6」八面体经由过程共用O原子的体式格局衔接在一起,这类衔接体式格局也致使了质料的电子电导率低。另外另一个影响LFP质料机能的问题是Fe占位题目,正在1D方向上,Li+有很高的扩散系数,然则局部Fe占有了Li的位置,从而影响了Li正在(001)方向上的散布速度,致使质料的极化大,倍率机能差。

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  2.抑止LiMn2O4质料剖析

  LMO质料具有三维Li+散布通道,因而具有很下的离子扩散系数,然则正在低SoC状况下会构成Mn3+,因为Jonh-Teller效应的存在,致使LMO构造不稳定,局部Mn元素溶出到电解液中,并终究堆积到负极的外面,损坏SEI膜的构造。现在,一种解决办法是正在LMO中增加一些低价主族金属离子,比方Li等,庖代局部Mn,从而进步正在低SoC下Mn元素的价态,削减Mn3+。别的一种解决办法是正在LMO质料颗粒的外面包覆一层10-20nm厚度的氧化物、氟化物,比方ZrO2,TiO2和SiO2等。

  3.抑止NMC化学活性

  NMC质料,特别是下镍NMC质料比容量可高达200mAh/g以上,并具有异常优秀的轮回机能。然则正在充电的状况下NMC质料极轻易对电解液形成氧化,因而正在现实消费中,我们不期望将NMC质料制成纳米颗粒,然则我们能够经由过程纳米包覆的手腕去抑止NMC的化学活性。

  为了抑止下镍NMC质料取电解液的回响反映活性,人们实验应用纳米颗粒对质料停止包覆处置惩罚,制止质料颗粒和电解液间接打仗,从而极大的进步了质料的轮回寿命,如下图a、b所示。原子层堆积也是珍爱NMC质料的主要要领,研讨显现3到5次原子层堆积可以获得机能最好的NMC质料。然则因为NMC质料外面短少酸性官能团,因而很易有用的停止原子层堆积。另外核壳构造的纳米颗粒也是低落回响反映活性的有用要领,如图3d,下Mn外壳具有很好的稳定性,然则容量较低,下镍中心容量很下,然则回响反映活性大,然则那一构造借面对一个题目就是因为晶格不婚配形成的内部应力,影响质料的轮回机能,处理那一题目能够经由过程梯度浓度质料去实现,如图3e所示,Ni的浓度从中心到外壳逐步低落,该质料可以或许到达200mAh/g以上的下可逆容量,并具有长达1000次的轮回寿命。

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  负极质料

  1.石墨质料珍爱

  石墨质料嵌锂电压低(0.15-0.25V vs Li+/Li),异常合适作为锂离子电池的负极质料,然则石墨质料也有一些瑕玷。嵌锂后的石墨具有很强的回响反映活性,会取有机电解液发作回响反映,形成石墨片层脱落和电解液剖析, SEI膜固然可以或许抑止电解液的剖析,然则SEI膜其实不能100%对石墨负极构成珍爱。现在常见石墨外面珍爱设施有外面氧化和纳米涂层手艺。

  纳米涂层手艺包孕:无定形碳、金属和金属氧化物三大类,个中无定形碳重要是经由过程真空化学堆积CVD要领得到,这种方法本钱较低,合适大规模消费。金属和金属氧化物纳米涂层重要是经由过程湿法化学的要领得到(电镀),可以或许很好的对石墨停止珍爱,防备电解液剖析。

  2.提拔钛酸锂LTO和TiO2质料的倍率机能

  LTO(Li4Ti5O12)质料安全性下,Li嵌入和脱嵌历程中不会发生应力,嵌锂电势较下,不会引发电解液的剖析,是一种异常优秀的负极质料,然则LTO质料借面对一下题目:1)比容量低,实际比容量仅为175mAh/g;2)低电子和离子电导率。现在纳米技术正在LTO上重要有以下3方面的运用:1)颗粒纳米化;2)纳米涂层手艺;3)LTO纳米质料取导电质料复合。LTO质料纳米化可以或许有用的低落Li+的散布间隔,并增大LTO于电解液的打仗面积。纳米涂层手艺可以或许增强LTO取电解液之间的电荷交流,改进倍率机能。几种常见的纳米涂层手艺如下图所示,个中图a示意了纳米TiO2取多孔碳质料的复合构造质料。图b展现的是怎样制备LTO+CMK-3介孔碳复合材料的要领。

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  3.进步硅负极的能量密度

  Si质料实际比容量到达3572mAh/g,远高于石墨质料,因而吸引了普遍的存眷,然则Si正在嵌锂和脱锂的历程中会发生高达300%的体积收缩,形成颗粒的破裂和活性物资脱落,为了战胜那一瑕玷,人们将Si质料制成纳米颗粒,以便减缓Si颗粒收缩发生的机器应力。现在其他Si纳米构造包孕1维的纳米线,1维纳米线可以或许取集流体和电解液之间构成优越的打仗,并留出充足的空间供Si收缩,因而该质料的可逆比容量高达2000mAh/g,并具有优越的轮回机能。

  纳米技术的正在Li-S电池的运用

  Li-S电池能量密度下,本钱低,黑白常具有希望的下一代电池,然则Li-S电池现在面对的重要问题是S电导率低,和嵌锂产品消融的题目,为了处理那一题目人们接纳了多种复合纳米质料手艺,比方经由过程将S取多孔中空碳大概金属氧氧化物纳米颗粒复合,能够明显的进步S的稳定性,进步电极的轮回机能。另外,S取石墨烯质料的复合也可以或许明显的进步S负极的轮回机能。

  本文重要参考以下文献,文章仅用于对相干科学作品的引见和批评,和课堂教学和科学研究,不得作为贸易用处。


转载自中国新能源网