鋰電池續(xù)航不久怎么長時間續(xù)航，解決鋰電池安全續(xù)航問題
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-10 08:52
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眾所周知，移動設(shè)備近幾年來在電池續(xù)航問題上進(jìn)入了瓶頸期，各大鋰電池廠家不得不通過增大電池容量來解決這個問題，不過增大容量這種方案不是長久之計，三星Note7的爆炸無疑給整個鋰電池產(chǎn)業(yè)劈頭澆了一盆冷水。不過，有決心創(chuàng)新改變的研究人員始終沒有放棄，終于在最近發(fā)現(xiàn)了一種新的解決方案，那就是冷凝法，這種方法，能保證鋰電池安全的情況下提升續(xù)航能力，并且可以彎曲，能夠充分適應(yīng)為了可能出現(xiàn)的可彎曲移動設(shè)備。
那么冷凝發(fā)到底是什么?其實很簡單，就是用冰模板(ice-templating)垂直對齊電池內(nèi)固態(tài)電解質(zhì)架構(gòu)，增強(qiáng)導(dǎo)電性。這種新型電池的誕生也正好為概念中的柔性智能手機(jī)和平板電腦鋪路。
眼下，市場上可重復(fù)充電的鋰電池用的液體電解質(zhì)高易燃性，極易造成安全問題，去年 Note 7 事故元兇就是它。因此，哥倫比亞大學(xué)工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院決定嘗試使用固體電解質(zhì)來代替易燃的液體電解質(zhì)。
由于傳統(tǒng)液體電解質(zhì)極易燃燒，他們使用冰模板讓陶瓷固體電解質(zhì)呈現(xiàn)出垂直對齊的柱狀架構(gòu)，使用陶瓷固體電解質(zhì)的電池明顯更安全且導(dǎo)電性更強(qiáng)。這種電池的制作方法也是很稀奇的，制作時，先在底部加入陶瓷顆粒并冷卻水性溶液，隨后讓冰層生長，擠出一部分已結(jié)冰的水性溶液，讓陶瓷顆粒在電池中成為主流。最后，營造一個真空環(huán)境讓冰升華為汽態(tài)，這樣就完成了搭建垂直對齊架構(gòu)。搞定垂直對齊架構(gòu)后，需要與聚合物相結(jié)合，后者是一種由許多重復(fù)子單元組成的大分子，這樣就能為電解質(zhì)提供機(jī)械支撐并更富有柔韌性。
哥大材料科學(xué)和工程學(xué)助理教授Yuan Yang提到過，柔性固態(tài)鋰電無論是在移動設(shè)備上還是電動車上，都能一勞永逸的解決安全問題，同時還能增加能量密度?！≡谥暗膶嶒炛校芯繂T用了一種該解決方案的變種。他們在聚合物電解質(zhì)中用了隨機(jī)分散陶瓷粒子，此外還嘗試類纖維的陶瓷電解質(zhì)，不過這些方案都無法實現(xiàn)垂直對齊。
在之前的實驗中，研究員用了一種該解決方案的變種。他們在聚合物電解質(zhì)中用了隨機(jī)分散陶瓷粒子，此外還嘗試類纖維的陶瓷電解質(zhì)，不過這些方案都無法實現(xiàn)垂直對齊。研究報告的主筆Haowei Zhai 說：“當(dāng)時我們認(rèn)為只要結(jié)合陶瓷電解質(zhì)垂直對齊架構(gòu)與聚合物電解質(zhì)，就能讓鋰離子開上快車道并增強(qiáng)電池的導(dǎo)電性。”他還提到，他們相信這是業(yè)內(nèi)首次使用冰模板制造柔性固體電解質(zhì)，新的電解質(zhì)不但安全可靠，而且無毒無害。新的方案最佳化了鋰離子的導(dǎo)電效能，為下一代充電電池的開發(fā)開啟了一扇窗。換用固體電解后，原本鋰電池負(fù)極使用的石墨層就能換成鋰金屬了，此舉能提升 60~70% 電池能量。
目前，該團(tuán)隊準(zhǔn)備最佳化電解質(zhì)結(jié)合的品質(zhì)并試裝出這種新型電池，使今后的鋰電池安全續(xù)航能力越來越強(qiáng)。
我們現(xiàn)在使用的鋰電池都是鋰離子電池，此外還有鋰金屬電池，以鋰金屬或鋰合金作為負(fù)極材料的一種電池，最早在1912年便由Gilbert N. Lewis提出，當(dāng)時的鋰金屬電池為一次電池（不可充電），由于相比當(dāng)時的其他電池，鋰金屬電池對加工、保存的要求高，因而沒有成為主流。
而鋰離子電池則比鋰金屬電池年輕許多，它采用鋰的金屬氧化物作為正極，于20世紀(jì)70年代誕生，但直到90年代，隨著電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，對高功率、高能量密度電池的需求增大，鋰離子電池才開始成為主流。并且，鋰金屬電池隨著技術(shù)發(fā)展，近來有開始復(fù)興的趨勢，但還未形成潮流，本文主要討論的對象三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池均為鋰離子電池，除此之外，算上鈦酸鋰電池，這三種電池是主流的車用動力電池。
☆鋰離子電池的結(jié)構(gòu)
鋰離子電池的主要結(jié)構(gòu)包括正、負(fù)極、電解液、隔膜和其他一些附件。其中正極材料是研究的重點，三元鋰和磷酸鐵鋰均描述了鋰離子電池的正極材料。而當(dāng)前應(yīng)用的負(fù)極材料主要為石墨，結(jié)晶度高，導(dǎo)電性好，對鋰離子的容量大，達(dá)到了372mAh/g，大大超過了正極材料的容量，這也是為什么現(xiàn)在主要研究正極材料的原因。
鋰電池的電解液與傳統(tǒng)電池（鉛酸電池、鎳鎘電池等）不同，不采用以水為溶劑的電解液，因為水的了理論分解電壓只有1.23V（想想上一期的燃料電池單電池理想電壓），因此，以水為電解液的電池電壓最高不過2V左右。而鋰電池的電壓在3-4V左右。常用的電解質(zhì)材料為無機(jī)陰離子鋰鹽，LiBF4、LiPF6、LiAsF6這三類。溶劑則有酯類、醚類和颯類。
隔膜則是起隔斷電子和透過離子作用，使電子必須從外電路遷移，而離子則可以通過電解液移動，保證外電路有電流通過，防止電池內(nèi)短路。隔膜材料有單層PE、單層PP、三層PP等。
☆鋰離子電池充放電的基本原理
先明確兩個概念，一，電池是將氧化還原反應(yīng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。典型特征就是電極上反應(yīng)物得失電子，通過外電路流動，進(jìn)而便產(chǎn)生了電流。正負(fù)極之間的電荷傳遞是通過電解液中陰陽離子的運(yùn)動形成的。
二，二次電池是指可多次再充放電的電池，其內(nèi)部發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)是可逆的。電池放電，內(nèi)部的A物質(zhì)變成B物質(zhì)，化學(xué)能變成電能；而充電時，B物質(zhì)又能夠變回A物質(zhì)，電能變成化學(xué)能儲存。
充電時鋰離子從正極材料的晶格中脫出經(jīng)過電解質(zhì)嵌入到負(fù)極材料層中；放電時鋰離子從負(fù)極材料晶格中脫出，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入到正極材料中。而電子則通過外電路，形成電流。
鋰電池充放電反應(yīng)過程為：
式中，Y為過度金屬，在鈷酸鋰電池（LiCoO2）中Y為鈷（Co），在錳酸鋰電池中就是錳（Mn）。對于三元鋰電池就是鎳鈷錳酸鋰[Li（NiCoMn）O2]中的NiCoMn，對于磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池，就是FePO4。
另外，正極負(fù)極指電位高低，陰極陽極則通過得失電子區(qū)分，得電子的電機(jī)發(fā)生還原反應(yīng)是陰極，失電子發(fā)生氧化反應(yīng)是陽極。充電和放電正負(fù)極不變，而陰陽極會反向。
對于鋰離子電池而言，正極材料的開發(fā)是其關(guān)鍵技術(shù)。理論上，根據(jù)上述反應(yīng)化學(xué)式，可以實現(xiàn)鋰離子脫嵌的物質(zhì)都可以作為正極材料，但實際上，這并非易事。出于性能考慮，它需要有良好的導(dǎo)電性、較大的放電倍率以及與電解質(zhì)良好的相容性；出于壽命考慮，它需要有高度的可逆性和較弱的極化效應(yīng)，出于安全考慮，它需要保證良好的穩(wěn)定性和溫和的電極過程動力學(xué)。
☆磷酸鐵鋰和三元鋰電池
磷酸鐵鋰電池的特點在于安全性高，高倍率充放電特性和較長的循環(huán)壽命。文獻(xiàn)顯示，在充電條件為1C倍率充電至3.65V，然后轉(zhuǎn)恒壓至電流下降到0.02C，之后以1C倍率放電至截止電壓2.0V，循環(huán)1600次之后電池容量仍有初始容量的80%。
PS：充放電倍率=充放電電流/額定容量；例如：額定容量為100Ah的電池用20A放電時，其放電倍率為0.2C。電池放電C率，1C,2C,0.2C是電池放電速率：表示放電快慢的一種量度。所用的容量1小時放電完畢，稱為1C放電；5小時放電完畢，則稱為1/5=0.2C放電。一般可以通過不同的放電電流來檢測電池的容量。對于24AH電池來說，2C放電電流為48A，0.5C放電電流為12A。
