锂离子电池的比能量已经达到300Whkg左右初步实现

发布者:admin 发布时间:2019-10-28 14:34 浏览次数:

  结构的不断优化的作用下,电池的比能量已经有了非常大的提升,目前在高镍三元正极/硅碳负极的加持下,锂离子电池的比能量已经达到300Wh/kg左右,初步实现了2020年目标。

  然而300Wh/kg的比能量几乎是现有体系的极限值了,继续提升比能量只能更换新的材料体系,从目前的技术发展来看,正极最有可能的选择是富锂材料,负极方面主要是金属Li。富锂材料的比容量可达250mAh/g以上,远高于目前的三元材料,能够实现400Wh/kg比能量的目标,然而富锂材料在循环过程中面临着持续的电压平台衰降,这不仅仅会造成电池比能量的降低,还会影响电池管理系统BMS的正常运行。

  在早期的研究中一般认为富锂材料的电压平台衰降主要是因为材料从层状结构到尖晶石结构的转变,但是最近布鲁克海文国家实验室的Enyuan Hu(第一作者)和Xiqian Yu(通讯作者)等人通过先进的检测技术发现,在循环中富锂材料中的过渡金属元素的价态持续降低,例如Co元素的从最初的Co3+/4+转变为 Co2+/3+,Mn元素也转变为Mn3+/Mn4+,这些转变直接导致了富锂材料电压平台的持续衰降,同时循环过程中的O损失会引起结构缺陷,并在富锂材料颗粒内部形成非常大的孔,这会进一步降低富锂材料的电压平台。作者认为富锂表面涂层和改性,能够有效的减少O的释放,从而抑制富锂材料循环过程中的电压衰降。

  试验中Enyuan Hu采用了典型的富锂材料Li1.2Ni0.15Co0.1Mn0.55O2作为研究对象,该材料循环不同周期后充放电曲线和dQ/dV曲线如下图所示,从图中能够明显的看到随着循环次数的增加,富锂材料的电压平台呈现出了明显的衰降趋势。

  为了分析富锂材料在循环中电压衰降的机理,Enyuan Hu利用XAS工具分析了富锂材料在第1、25、46、83次循环后,材料中的Ni、Co、Mn和O元素的价态的变化趋势(如下图所示),从图中能够看到Ni、Co、Mn三种过渡金属元素的价态随着循环次数的增加呈现了明显的下降趋势。O原子的变化主要发生在边前区域,从下图中能够注意到随着循环次数的增加,O原子的边前峰强度呈现了明显的减弱趋势,这表明体相中的过渡金属元素与O元素之间的键能降低。

  通过对上述的XAS数据半定量分析,EnyuanHu得到了在1、2、25、46和83次循环时富锂材料中不同元素对材料整体容量的贡献(如下图a所示),从图中可以看到在首次循环时O和Ni供应了主要容量,分别达到128mAh/g和94mAh/g。但是随着循环的进行,O和Ni元素提供的容量迅速减少,在83次循环时,O元素提供的容量仅为50mAh/g,Ni元素提供的容量也下降到了66mAh/g。但是Mn和Co元素贡献的容量却随着循环次数的增加而增加,例如第一次放电时Mn、Co提供的容量分别14mAh/g和26mAh/g,但是随着循环到83次时,两者的容量分别增加到了66mAh/g和53mAh/g。

  从上面的分析不难看出,富锂材料在循环中Mn和Co元素增加的容量弥补了Ni和O元素损失的容量,使得富锂材料的整体容量没有太大的变化,但是这些容量的组成部分却发生了翻天覆地的变化,从O和Ni的氧化还原反应转向Mn、Co的氧化还原反应会明显的改变富锂材料的电压特性。这一点也可以从费米能级图中得到解释,在开始的时候,富锂材料的费米能级仅仅稍高于Ni2+/Ni3+,因此富锂材料与金属Li之间的电位差比较高,但是随着循环的进行,富锂材料表面的O发生了还原和析出,因此导致过渡金属元素的价态降低,而表层的Ni元素会被首先还原,在材料的表面形成一层没有活性的岩盐结构,导致Ni元素提供的容量减少。而Mn和Co元素的还原则使得两者分别发生Mn3+/Mn4+ 和Co2+/Co3+,从而使得费米能级显著提高,从而导致开路电压的降低。

  上面我们提到锂离子电池在循环中富锂材料的表面非常不稳定,为了分析循环过程富锂材料表面的结构变化,Enyuan Hu又采用了软X射线吸收进行了分析,从O K-edge图中能够看到,其边前峰的强度随着循环次数的增加持续的降低,导致这一现象的原因可能有两个,一个是富锂材料的表面层结构从层状结构向岩盐结构衰变,第二个原因是富锂材料电极界面因为电解液分解形成了一层包含Li2CO3, Li2O, LiOH, RCO2Li和R(OCO2Li)2的惰性层,C K-edge分析也发现了富锂材料电极表面层的Li2CO3的含量在循环中显著的增加了,这也支持了前面的分析。

  通过ADF-STEM成像技术Enyuan Hu发现经过15个循环后,在富锂材料颗粒内部出现了相当数量的大孔,而这些大孔在新鲜的材料中是不存在的,根据测算这些大孔所占的体积达到1.5-5.2%,这意味着在15个周期中富锂材料最多可能损失了9%的O。为了进一步确认上述的大孔形成的原因,作者采用STEM-EELS对富锂材料的颗粒进行了观察,发现在颗粒表面的开放性孔的孔壁上能够观察到了一层很厚的尖晶石/岩盐结构,这表明这些孔的形成与循环过程中的O损失有着密切的关系。

  Enyuan Hu的工作表明富锂材料在循环过程中的电压衰降的主要原因不是层状结构向岩盐和尖晶石结构转变,而是循环过程中过渡金属价态的持续降低。随着循环次数的不断增加,富锂材料会不断损失O,导致表面的Ni元素首先被还原形成岩盐结构,失去活性,同时伴随着Mn和Co的反应价态持续下降,导致了富锂材料电压平台的不断降低。针对这一现象作者认为可以通过表面涂层和表面改性处理的方式,减少循环过程中的O损失,抑制富锂材料的电压平台衰降。

  就是指在保持材料或制品原性能的前提下,赋予其表面新的性能,如亲水性、生物相容性、抗静电性能、染色性能等。表面改性的方法有很多报道,大体上可以归结为:表面化学反应法、表面接枝法、表面复合化法等。

  表面改性技术(surface modifiedtechnique) 是采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能的一类热处理技术。

  表面改性技术(surface modified technique)包括化学热处理(渗氮、渗碳、渗金属等);表面涂层(低压等离子喷涂、低压电弧喷涂、激光重熔复合等薄膜镀层、物理气相沉积、化学气相沉积等)和非金属涂层技术等。这些用以强化零件或材料表面的技术,赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射、导电、导磁等各种新的特性。使原来在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质环境下工作的零件,提高了可靠性、延长了使用寿命,具有很大的经济意义和推广价值。

  1、物理涂覆:是利用高聚物或树脂等对材料表面进行处理以达到填料表面改性的工艺。

  2、化学包覆:是利用有机物分子中的官能团与填料表面发生化学反应,对粉体颗粒表面进行包覆,使颗粒表面改性的方法。

  3、沉淀反应:是通过无机化合物在颗粒表面沉淀反应,在颗粒表面形成一层和多层包覆膜,以改善粉体表面性质。

  4、机械力化学:是利用超细粉碎或强烈机械作用有目的地对粉体表面进行激活,在一定程度上改变颗粒的晶体结构、溶解性能、化学吸附和反应活性等,从而达到粉体表面改性的目的。

  5、插层改性:是指利用层状结构的粉体颗粒晶体层之间结合力较弱和存在可交换阳离子等特性,通过离子交换或化学反应改变粉体的层间和界面性质的改性方法。

  表面改性设备可分为干法和湿法两类。非金属矿粉常用的干法表面改性设备是SLG型连续粉体表面改性机,高速加热混合机,涡流磨及PSC型粉体表面改性机等。常见的湿法表面改性设备为可控温反应罐和反应釜

  文章出处:【微信号:Recycle-Li-Battery,微信公众号:锂电联盟会长】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

  电池作为新能源汽车的核心,关乎车辆的用车和续航,根据现有汽车电池的种类来说分为铅酸电池以及锂电池等各....

  KomVar专案启动,将在MANZ集团德国产区开展高科技锂电池电池芯项目

  在为期两年的项目开发期间,CUSTOMCELLS® 新的生产据点将建立一条具备高度灵活性的电池芯试生....

  不久前,2019年诺贝尔化学奖颁发给3位科学家,表彰他们在锂离子电池(以下简称“锂电池”)方面的研究....

  全球移动电源市场规模预计到2024年将增至179亿美元 锂离子电池将继续主导移动电源市场

  根据国际市场研究机构Markets and Markets本月发布的报告,2019年全球移动电源市场....

  节能和环保在我们的日常生活中扮演着重要的角色;而随着价格亲民的混合动力汽车和电动汽车的发布,人们的这些意识进一步得到了提...

  固态电池作为一种新型电池,从电池的角度上面来说,对于新能源汽车发展起到关键的作用,作为车辆的核心部件....

  阿贡国家实验室研究人员开发出新型电解质混合物 有望应用于下一代锂离子电池

  据外媒报道,美国能源部阿贡国家实验室的研究人员,开发出新型电解质混合物和一种简单的添加剂,可以增加硅....

  国外研发出一种不可燃的锂离子电池 可有效解决三星Note7手机电池故障问题

  研究人员已经开发出一种不可燃的锂离子电池,可以为三星在Galaxy Note 7爆炸事件中节省数十亿....

  高效率输出:标准放电为2~5C、连续高电流放电可达10C,瞬间脉冲放电(10S)可达20C;...

  D1二极管存在压降,且随电源负载变大而变大,有无其他替代二极管的电路起到防锂电池反冲的作用?

  固态电池作为一种新型电池,从电池的角度上面来说,对于新能源汽车发展起到关键的作用,作为车辆的核心部件....

  这个是用来做锂电池双向充放电控制的元件,锂电池充电管理芯片充电时,可以给电池充电,不充电时,产品待机状态下,锂电池不供电...

  要测试设备,您需要造成假的停电,如所附视频中所示,将微型USB电源与TP4056锂电池充电器模块断开....

  动力电池是新能源汽车发展的最关键因素,从客户角度而言,要使电动汽车能与燃油汽车相竞争,关键就是要开发....

  张飞┃30天精通反激开关电源设计线上训练营,包教包会!!! 详情链接: 锂电池充电电路无论是否加电池两个检测端都是低...

  近年间逐渐成为全球潮流的新能源汽车,也是依靠着一块动力电池的能量,悄然改变着我们的出行方式。作为新能....

  10月9日中午,瑞典皇家科学院将2019年诺贝尔化学奖授予三位在“锂离子电池”领域研究的贡献突出的科....

  BQ24300和BQ24304是高度集成电路,旨在保护锂离子电池免受充电电路故障的影响。集成电路连续....

  为什么诺贝尔发给锂电池?诺贝尔奖创纪录了,97岁高龄创诺贝尔奖记录,这回锂电池之父赢了。 三位得主均....

  当锂电池组串联充电时,每个电池应该均等充电,否则会影响整个电池的性能和寿命。常用的均衡充电技术有恒定....

  现在新能源汽车、锂电池动力汽车,混合动力汽车原来越得到消费者的认可,经济节能,动力强劲都是其挂在嘴边....

  射频识别技术(Radio Frequency Identification, RFID)作为快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和信息标准化的基础,...

  接下来,我们就来看下升压部分的电路,锂电池升压部分笔者采用了一颗型号为KF2185的同步升压芯片,这款芯片的同步升压效率...

  便携式电子产品以电池作为电源。随着便携式产品的迅猛发展,各种电池的用量大增,并且开发出许多新型电池。....

  一般标称为3.7V的锂电池的电压范围是在2.8V~4.2V,如果说想要得到稳定的5V、3.8V和3.....

  对高效环保电池的日益增长的需求成为推动锂离子电池管理系统市场增长的关键因素

  根据国际市场研究机构Technavio本月发布的报告,2019-2023年,全球锂离子电池管理系统市....

  按下按钮将已测试的电池连接到继电器,并使它能够继续工作,直到重放控制达到设定的阈值以下,并且将断开....

  最后,我将其钩住了如图所示,使用一个具有10k电阻的arduino。效果很好。在某些时候,我可能会....

  这家以锂电池和锂离子电池为主营业务的公司,成也电子烟、败也电子烟。 自9月12日起,动力电池厂商惠州....

  DC2039A,演示电路采用带有数字遥测系统的LTC4015EUHF多化学降压电池充电器

  DC2039A,演示电路采用带有数字遥测系统的LTC4015EUHF多化学降压电池充电器,作为2节锂离子电池,8A电池...

  曾经有专家说新能源汽车最核心的技术就是锂电池,按照这个逻辑,既然新能源汽车最核心的技术是锂电池,那么....

  据外媒最新消息,全球锂电池制造巨头之一的LG化学公司已开始在中国南京的工厂大规模生产Model 3使....

  Maxwell 的干电极技术到底神在哪儿呢?前不久 Randy Carlson 在 Seeking ....

  随着动力电池能量密度的不断提升和成本的不断降低,电动汽车的续航里程也在不断增加,今年推出的电动汽车的....

  德国AKASOL推出新型高能锂离子电池 最高可达1C最大功率为500kW

  据外媒报道,在2019年北美电池展(Battery Show North America 2019)....

  电池的容量通常为以毫安小时(mAh)给出。毫安是电流的单位,小时是时间的单位,当我们乘以它们时,我....

  近来,随着新能源汽车补贴下坡、电池技术发展等引发的争议越来越多。华车网注意到,在争议中,关于何种动力....

  本产品规格书适用于本公司生产的 3.6V 扣式锂离子电池 LIR1254。需严格按照本规格书指定的方....

  本产品规格书适用于本公司生产的 3.6V 蓝牙耳机专用扣式锂离子电池 LIR1040。需严格按照本规....

  本产品规格书适用于本公司生产的 3.6V 扣式锂离子电池 LIR1054。需严格按照本规格书指定的方....

  本产品规格书适用于本公司生产的 3.6V 扣式锂离子电池 LIR1240。需严格按照本规格书指定的方....

  本产品规格书适用于本公司生产的 3.6V 扣式锂离子电池 LIR1454。需严格按照本规格书指定的方....

  PL7501C 是一款 3.6V-5.5V 输入,1A 输出,双节锂电池/锂离子电池充电的异步升压充....

  外媒指出,目前完成施工的主要厂房将用于电动车的制造,而在工厂另外一侧的建设可能用于锂电池组生产。

  PL7501C 是一款 3.6V-5.5V 输入,1A 输出,双节锂电池/锂离子电池充电的异步升压充....

  PL7022/B 是一款基于 CMOS 的双节可充电锂电池保护电路,它集高精度过电压充电保护、过电压....

  我们可以将全电池充电过程想象成一个“锂离子下台阶”的过程:充电时,锂离子从正极脱嵌的反应电压很高,我....

  在产品价格上涨和市场增量的双重拉动下,三元材料企业正迎来新一轮业绩增长期。

  我们经常说的锂离子电池的优越性是针对于传统的镉镍电池(Ni/cd)和镍氢电池(Ni/cd)来讲的。那么,锂离子电池究竟好在哪里呢?...

  CE3154具有热调节功能的独立线性锂离子电池充电器的数据手册免费下载

  CE3154是一款用于单电池锂离子电池的完整恒流/恒压线性充电器。它的SOT封装和低外部组件数使CE....

  据最新一期的《自然·材料》报道,为了开发锂基电池的替代品,减少对稀有金属的依赖,美国佐治亚理工学院研....

  与现有锂离子电池体系相比,锂硫电池具有更高的理论能量密度、更低的成本和环境友好等优势,是下一代高比能....

  英诺利INNOLITH正式进军中国市场 将共同推动中国新能源产业的创新与发展

  随着科技发展及更多全球能源政策的出台,新能源市场迎来了高速发展最好的时代。新能源的诞生始于20世纪7....

  9月10日,东旭光电携子公司上海碳源汇谷新材料科技有限公司(下称碳源汇谷)在上海发布首款石墨烯基叉车....

  TPS61252设备提供电源TPS61252设备为由三电池碱性电池、镍镉电池或镍氢电池或单电池锂离子....

  锂离子电池性能受到温度影响很大,高温会加剧正负极界面的副反应,引起锂离子电池加速衰降,低温则会导致锂....

  PL7022/B 是一款基于 CMOS 的双节可充电锂电池保护电路,它集高精度过电压充电保护、过电压....


上一篇:铅酸蓄电池的比能量是如何计算的?    下一篇:电池性能----比能量或比密度