锂离子电池全面剖析

来源:钜大LARGE    2018-11-16    点击量: 100

锂,它是元素周期表中最轻的金属,也是最愿意捐赠电子的元素(最强大的还原剂)-你真的找不到更适合制造重量轻、高能量密度电池的元素。从口袋中的智能手机等便携式电子产品到特斯拉ModelS等高性能电动汽车,锂离子电池是目前市场上最有前途的化学品,可满足我们对可再生能源存储的需求。让我们仔细看看锂离子电池。


锂离子电池是如何工作的?


锂离子电池充分利用锂离子的强大还原潜力,为所有电池技术的核心氧化还原反应提供动力-阴极还原,阳极氧化。通过电路连接电池的正极和负极,将氧化还原反应的两半结合在一起,使连接到电路的器件从电子的运动中提取能量。


虽然目前工业中使用了许多不同类型的锂基化学物质,但我们将使用锂钴氧化物(LiCoO2)-这种化学物质可以让锂离子电池取代已成为消费电子产品标准的镍镉电池。直到90年代-展示这种流行技术背后的基本化学。


LiCoO2阴极和石墨阳极的完全反应如下:


LiCoO2+C?Li1-xCoO2+LixC


正向反应表示充电,反向反应表示放电。这可以分解为以下半反应:


在正极处,在放电期间发生阴极还原(参见逆反应)。


LiCo3+O2?xLi++Li1-xCo4+xCo3+1-xO2+e-


在负极处,在放电期间发生阳极氧化(参见逆反应)。


XLI100+++E-?LixC


在放电期间,锂离子(Li+)从负电极(石墨)通过电解质(悬浮在溶液中的锂盐)和隔板移动到正电极(LiCoO2)。同时,电子从阳极(石墨)移动到阴极(LiCoO2),它们通过外部电路连接。如果施加外部电源,则反应与相应电极的作用相反,对电池充电。


什么是锂离子电池


您的典型圆柱形18650电池是业界用于从笔记本电脑到电动汽车的商业应用的常见形状因子,具有3.7伏的OCV(开路电压)。根据制造商的不同,它可以提供大约20安培,容量为3000mAh或更高。电池组由多个电池组成,并且通常包括保护性微芯片以防止过度充电和放电低于最小容量,这可能导致过热,火灾和爆炸。让我们仔细看看电芯的内部结构。


正极/阴极


设计正极的关键是选择与纯锂金属相比电位大于2.25V的材料。锂离子中的阴极材料变化很大,但它们通常是层状锂过渡金属氧化物,如我们之前探讨的LiCoO2阴极设计。其他材料包括尖晶石(即LiMn2O4)和橄榄石(即LiFePO4)。


负极/阳极


在理想的锂电池中,您可以使用纯锂金属作为阳极,因为它为电池提供了低分子量和高比容量的最佳组合。在商业应用中,有两个主要问题阻止锂被用作阳极:安全性和可逆性。锂是高反应性的并且易于发生烟火类型的灾难性故障模式。同样在充电过程中,锂不会恢复到其原始的均匀金属状态,而是采用称为树枝状的针状形态。枝晶形成可导致刺破的分离器,这可能导致短路。


研究人员设计的解决方案是利用锂金属的优点而不是所有的缺点是锂嵌入-在锂石墨或其他材料中分层锂离子的过程,以使锂离子容易从一个电极移动到另一个电极。其他机制涉及使用具有锂的阳极材料,使得可逆反应更可能。典型的阳极材料包括石墨、硅基合金、锡和钛。


隔膜


隔膜的作用是在负极和正极之间提供一层电绝缘,同时在充电和放电过程中仍然允许离子穿过它。它还必须具有化学耐受电解质和电池中其他物质的降解,并且机械强度足以抵抗磨损。常见的锂离子分离器通常是高度多孔的,并且由聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)片组成。


电解质


电解质在锂离子电池中的作用是提供一种介质,通过该介质,锂离子在充电和放电循环期间可以在阴极和阳极之间自由流动。我们的想法是选择既是良好的Li+导体又是电子绝缘体的介质。电解质应该是热稳定的,并且与电池中的其他组分化学相容。通常,悬浮在有机溶剂如碳酸二乙酯,碳酸亚乙酯或碳酸二甲酯中的锂盐如LiClO4,LiBF4或LiPF6用作常规锂离子设计的电解质。


固体电解质界面(SEI)


了解锂离子电池的一个重要设计理念是固体电解质界面(SEI)-一种钝化膜,当锂离子与电解质的降解产物反应时,它在电极和电解质之间的界面处积聚。在电池的初始充电期间,膜在负电极上形成。SEI保护电解质在电池的后续充电过程中不会进一步分解。这种钝化层的损失会不利地影响循环寿命、电性能、容量和电池的整体寿命。另一方面,制造商发现他们可以通过微调SEI来改善电池性能。


满足锂离子电池系列


锂作为电池应用的理想电极材料的诱惑已经产生了多种锂离子电池。以下是市场上最常见的五种市售电池。


锂钴氧化物


我们已经在本文中深入介绍了LiCoO2电池,因为它代表了手机,笔记本电脑和电子相机等便携式电子产品中最受欢迎的化学物质。LiCoO2的成功归功于其高比能。寿命短、热稳定性差以及钴的价格使制造商转向混合阴极设计。


锂锰氧化物


锂锰氧化物电池(LiMn2O4)使用MnO2基阴极。与标准LiCoO2电池相比,LiMn2O4电池毒性更小,成本更低,使用更安全,但容量更低。虽然过去已经探索过可充电设计,但是今天的工业通常将这种化学物质用于初级(单循环)电池,其不可再充电并且意味着在使用后丢弃。耐用、高热稳定性和长保质期使其非常适合电动工具或医疗设备。


锂镍锰钴氧化物


有时整体大于其各部分的总和,锂镍锰钴氧化物电池(也称为NCM电池)具有比LiCoO2更大的电性能。NCM在平衡其各个阴极材料的优缺点方面发挥了作用。作为市场上最成功的锂离子系统之一,NCM广泛应用于电动工具和电动自行车等动力系统。


磷酸


铁锂磷酸铁锂(LiFePO4)电池在纳米结构磷酸盐阴极材料的帮助下实现了长循环寿命和高电流额定值以及良好的热稳定性。尽管有这些改进,但它不像钴混合技术那样能量密集,并且它具有该列表中其他电池的最高自放电率。LiFePO4电池作为汽车起动器电池的铅酸替代品很受欢迎。


钛酸锂


用钛酸锂纳米晶体代替石墨阳极极大地将阳极的表面积增加到约100m2/克。纳米结构阳极增加了可以流过电路的电子数量,使钛酸锂电池能够以高于10℃(其额定容量的十倍)的速率安全地充电和放电。锂离子电池具有最快充电和放电周期的权衡是每个电池相对较低的电压2.4V,锂电池的能量密度范围较低端的钛酸锂电池,但仍高于镍镉等替代化学品。尽管存在这种缺点,但整体电气性能、高可靠性、热稳定性和超长的循环寿命意味着电池仍可用于电动车辆。


锂离子电池的未来


全球各公司和政府都在大力推动锂离子和其他电池技术的进一步研究和开发,以满足日益增长的清洁能源需求和减少碳排放。太阳能和风能等固有的间歇性能源可以从锂离子的高能量密度和长循环寿命中获益,这已经帮助该技术在电动汽车市场中占据了一席之地。


为了满足这种不断增长的需求,研究人员已经开始以新的和激动人心的方式推动现有锂离子的界限。锂聚合物(Li-Po)电池用更安全的聚合物凝胶和半湿电池设计取代了危险液体锂盐电解质,具有相当的电气性能和更高的安全性和更轻的重量。固态锂是该块中的最新技术,有望提高能量密度、安全性、循环寿命和整体寿命以及固体电解质的稳定性。很难预测哪种技术将赢得最终能源储存解决方案的竞争,但锂离子肯定会在未来几年继续在能源经济中发挥重要作用。

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