电池移动部件

比赛是在锂离子电池安全,增加的能量,可以画出这些设备,并减少所花费的时间再次给他们充电。

晶体管和其它电子组件依赖于电子的运动,这是有效质量和无量纲相对于半导体、金属和掺杂剂原子包围他们。相比之下,一个电池是一个电化学的电池,使用正离子的运动电荷存储和释放。与电子,离子有质量和占用空间。充电/放电率、电池容量和电池性能的其他方面的影响巨大的离子的性质。

锂离子电池,特别是存储电荷通过提取锂离子从正极电解液,然后再成一个负电极。当电池放电时,相反的发生。正极通常被称为阴极,阴极阳极。(这个术语是严格准确的只有当电池放电,但这里使用按照行业惯例)。

阳极和阴极材料在下面更详细地讨论,但在大多数情况下,电极材料不是良导体的电子或离子。所以比依靠缓慢的运输散装材料,典型的电极设计结合工程活性粒子和聚合物粘结剂,如果有必要,导电碳颗粒。有意多孔结构允许电解液的渗透。

电解液和电极之间的相互作用取决于所涉及的具体材料。但总的来说,设计师需要考虑化学反应之间的电极,电解液和潜在污染物如水分和金属颗粒。当电池充电/放电循环移动离子来回,电极粒子膨胀和收缩。开裂和机械故障多发生在电池的寿命。机械应力也可以断开碳电极粒子导电粒子,增加细胞抵抗。

在系统层面,电极的结构导致的具体能力(Wh /公斤),充电和放电率,电池寿命。的锂离子在负极材料,多少可以提取并转移到阳极吗?多少的能量提供的充电电路可用来提取离子,输给了电阻加热是多少?多快离子提取和传输发生吗?这些特征又是如何改变一生的电池吗?

电池管理系统超出了本文的范围,但是他们的作用是为单个细胞平衡充电/放电循环为了最大化能力和终身不影响性能或安全。除了电池火灾的一般原则是不可取的,具体细节取决于电池的应用程序。

图1:电荷转移机制,防止过度充电的锂离子电池。来源:阿贡国家实验室

阳极、电解质和分隔符
锂离子电池取决于锂化合物,而不是锂金属由于安全原因。在早期的设计中使用金属锂,倾向于树突增长,导致短路和火灾。今天,大多数阳极是基于地方政府投资公司₆插入锂为C₆响了。收费过高和其他电池管理失败仍然可以允许树突增长,夹层是稍微积极有利的。因为收费过高迫使更多比阳极可以容纳离子进入材料,它还会导致电池膨胀。

电解液由良好的离子导体,通常LiPF₆溶解在有机溶剂。LiPF₆暴露于水分降低,形成高频酸。反过来,酸,可以从阴极放出氧气。出于这个原因,溶剂通常非水有机碳酸盐。然而,这些溶剂很容易与碳。当电解液第一次接触正极,钝化层(SEI,或固体电解质界面)在阳极粒子形式。这一层可以防止进一步的反应,但也会增加细胞的内部阻力。随着时间的推移,它减少了电池的容量通过捕获溶解离子的电解质。SEI的特征层电解液设计中一个必不可少的因素。

因为锂离子电池的设计是为了避免自由金属锂的形成,电解液溶剂通常是最易燃的部分电池。它实际上是组件在大多数锂离子电池起火燃烧。

绝缘分隔符——一张长缠绕在电池内部的情况下,使阳极和阴极接触对方。它与电解质和饱和多孔锂离子。它作为离子通过玩弄它,材料两边扩张和收缩。金属粒子,由于树突形成或制造污染,是否可以擦伤分离器,最终刺穿它,导致短路。由于分离器是聚合物,它可以融化或点燃如果电池过热。分离器设计是一个权衡的能力通过离子容易和抗磨损能力和其他损伤。

阴极设计和制造
最后的主要组件,阴极,大多数电池开发研究的重点。虽然大多数商业电池使用LiCoO₂阴极金属钴的方法既昂贵,有毒。此外,LiCoO的层状氧化物晶体结构₂崩溃如果超过一半的锂。这样的崩溃释放氧气,可能引发电解质。

众多选择电极材料。目标是找到一种材料,允许更完整的锂提取和使用更少的钴。一些最有前途的替代nickel-rich李(Ni等化合物_0.8有限公司_0.1锰_0.1阿)₂(缩写为NCM811)。Jianan张,前麻省理工学院的研究人员和他的同事解释说在工作在今年的材料研究学会秋季会议上,nickel-rich钴锰化合物提供高能量密度,但多晶颗粒,通常可以很容易开裂,造成不稳定。MIT小组结合金属盐和溶剂在火焰喷雾生产单晶颗粒合成室。通过改变热处理条件下,他们能够控制粒子大小和达到高粒度均匀性。

补充项目干De Sloovere前比利时特大学的研究员和他的同事们捏造“核壳”粒子,将利尼_0.5锰_1.5O₄(LNMO)和NMC622颗粒在氧化钛壳。这个涂层作为导电剂,同时保护阴极材料由高频解散。沉积过程,基于溶液沉积的一种钛前体,是可扩展到其他外壳和核心材料。

不管所使用的特定的电极材料,栓,英国华威大学教学高级研究员指出,收费标准是有限的能力传播通过锂离子电极材料。活性物质的电极通常是一个同质混合,导电粒子,和粘合剂。在快速充电的条件下,离子趋向于沉在分隔符。

没有足够的时间为他们传播通过电极的活性物质提供实际上并不是利用。因此,电池的可用容量减少,而附近的材料分隔符是倾向于压力和过热。作为替代,这组使用分层技术喷雾沉积不同的分数进行和活性物质。理想的成分梯度取决于材料,但总的来说,这种方法提高了电子和离子导电性,降低电池退化。

在锂离子
除了改善锂离子电池,研究人员正在寻找替代的设计。钠离子电池可能有相似的特征,但依靠钠,更丰富的金属。固态电池寻求替代有机溶剂与聚合物或微晶玻璃复合。我的下一篇文章将更详细地查看这些发展。