什么是鋰離子電池，怎么延長(zhǎng)電池鋰離子電池壽命
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-11 15:45
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蓋世汽車訊據(jù)外媒報(bào)道，電動(dòng)汽車由可充電的鋰離子電池(LIB)驅(qū)動(dòng)，但是目前，人們還沒(méi)有完全了解和完善鋰離子電池。鑒于電動(dòng)汽車有望取代燃油車，任何可以提升鋰離子電池性能的研究將有利于電動(dòng)汽車發(fā)展，改善環(huán)境。美國(guó)哥倫比亞大學(xué)(Columbia)的兩位教授Matthias Preindl和Alan West正在研發(fā)一種機(jī)器學(xué)習(xí)模型，可以更精確地估算鋰離子電池的充電水平。目前，估算電池充電狀態(tài)仍有5%的出錯(cuò)率，該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的模型目標(biāo)是將出錯(cuò)率降至1%，該項(xiàng)研究獲得了哥倫比亞數(shù)據(jù)科學(xué)研究所(Data Science Institute)種子基金的資助。
大家都知道，電池管理系統(tǒng)主要用于捕捉電池的健康狀態(tài)，預(yù)測(cè)期剩余壽命。上述兩個(gè)概念可幫助電動(dòng)汽車車主知道何時(shí)應(yīng)該停車給電池充電，以及何時(shí)應(yīng)該安排更換電池。然后，一個(gè)估算精度高的模型可讓電池管理系統(tǒng)識(shí)別和保護(hù)弱電池，從而延長(zhǎng)電池組的壽命。
為設(shè)計(jì)該機(jī)器學(xué)習(xí)模型，該團(tuán)隊(duì)將把擾動(dòng)信號(hào)(由電力電子變換器產(chǎn)生的一系列電流信號(hào))應(yīng)用到鋰離子電池上，該系列信號(hào)可讓電池發(fā)出能夠檢測(cè)到的電反應(yīng)。該團(tuán)隊(duì)將在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試此類電池，并且使用電力電子變換器從安裝在電動(dòng)汽車上的電池中獲取數(shù)據(jù)。此類數(shù)據(jù)每分鐘生成一次，可以測(cè)量電池溫度、電壓和電流波動(dòng)等電池功能，從而產(chǎn)生數(shù)十萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。因此，該團(tuán)隊(duì)正在設(shè)計(jì)一種算法，以評(píng)估此類數(shù)據(jù)并設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)化模型。
Preindl是電池與外部元件如何相互作用方面的專家，而化學(xué)工程師Allen West了解電池內(nèi)部的化學(xué)成分。他們二人正結(jié)合自己的工程學(xué)知識(shí)和先進(jìn)的數(shù)據(jù)科學(xué)技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)模型，可以預(yù)測(cè)如何讓目前的鋰離子電池獲得最佳性能。
Preindl表示：“事實(shí)上，我們沒(méi)有量化的方法來(lái)了解鋰離子電池的行為。一旦我們有了量化的數(shù)據(jù)，我們就會(huì)知道電池什么時(shí)候需要充電，可以使用多久，什么時(shí)候需要更換，以及如何延長(zhǎng)電池的壽命。”
鋰硫電池被譽(yù)為下一代電池，以取代目前的鋰離子電池。鋰離子電池比鋰離子電池更便宜，能量密度更高，從電動(dòng)汽車到筆記本電腦，這些都是重要的特性。
但到目前為止，對(duì)鋰硫電池的敲擊是它們不會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，可用于大約100次充電循環(huán)。
普渡大學(xué)的研究人員已經(jīng)找到了一種方法來(lái)延長(zhǎng)一個(gè)過(guò)程中的生命周期，這個(gè)過(guò)程有一個(gè)額外的好處，就是回收塑料的便利方式。他們的工藝最近在ACS應(yīng)用材料和接口公司發(fā)布，表明將含硫浸泡的塑料放入微波爐(包括透明塑料袋)中，將材料轉(zhuǎn)化為理想物質(zhì)，以便將即將上市的電池的使用壽命延長(zhǎng)至200多次充電 - 放電循環(huán)。
普渡大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院副教授維拉斯波爾說(shuō)：“無(wú)論你回收塑料多少次，塑料都會(huì)停留在地球上。” “我們一直在想辦法擺脫它很長(zhǎng)一段時(shí)間，這是一種至少可以增加價(jià)值的方法。”
減少垃圾填埋的需要與使鋰硫電池足夠商業(yè)用途相同。
“由于鋰硫電池越來(lái)越受歡迎，我們希望從中吸取更長(zhǎng)的壽命，”波爾說(shuō)。
低密度聚乙烯塑料，用于包裝，包含大部分塑料廢物，有助于解決鋰硫電池長(zhǎng)期存在的問(wèn)題 - 這種現(xiàn)象稱為多硫化物穿梭效應(yīng)，限制了電池之間的持續(xù)時(shí)間收費(fèi)。
顧名思義，鋰硫電池具有鋰和硫。當(dāng)施加電流時(shí)，鋰離子遷移到硫中并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以產(chǎn)生硫化鋰。該反應(yīng)的副產(chǎn)物多硫化物傾向于回到鋰側(cè)并防止鋰離子遷移到硫中。這降低了電池的充電容量以及壽命。
“阻止多硫化物的最簡(jiǎn)單方法是在鋰和硫之間形成物理屏障，”普渡大學(xué)化學(xué)工程博士后研究員Patrick Kim說(shuō)。
以前的研究試圖用生物質(zhì)制造這種屏障，例如香蕉皮和開心果殼，因?yàn)樯镔|(zhì)衍生的碳中的孔隙有可能捕獲多硫化物。
“每種材料都有其自身的優(yōu)點(diǎn)，但生物質(zhì)很好，可以用于其他目的，”波爾說(shuō)。“廢塑料真的是毫無(wú)價(jià)值和繁瑣的材料。”
相反，研究人員想到如何將塑料結(jié)合到碳支架中以抑制電池中的多硫化物穿梭。過(guò)去的研究表明，低密度聚乙烯塑料與磺化基團(tuán)結(jié)合后會(huì)產(chǎn)生碳。
研究人員將塑料袋浸泡在含硫溶劑中，然后將其放入微波爐中，以便快速提高轉(zhuǎn)化為低密度聚乙烯所需的溫度。熱量促進(jìn)了塑料的磺化和碳化，并誘導(dǎo)了更高密度的孔隙以捕獲多硫化物。然后可以將低密度聚乙烯塑料制成碳支架，以分割電池紐扣電池的鋰和硫半部分。
“來(lái)自這一過(guò)程的塑料衍生碳包括具有負(fù)電荷的磺酸鹽基團(tuán)，這也是多硫化物所具有的，”Kim說(shuō)。因此，制成碳支架的磺化低密度聚乙烯通過(guò)具有類似的化學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)抑制多硫化物。
“這是提高電池容量保持率的第一步，”波爾說(shuō)。“下一步是利用這一概念制造更大尺寸的電池。
