鋰離子電池的優(yōu)缺點(diǎn)及保養(yǎng)方法有哪些你知道嗎？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-20 08:42
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由德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究人員開發(fā)的一種新的半液體電池，展現(xiàn)了令人鼓舞的早期結(jié)果，包含了最先進(jìn)的儲(chǔ)能設(shè)備所需的許多功能。特別地，新電池具有與鋰離子電池類似的工作電壓，功率密度與超級(jí)電容器的功率密度相當(dāng)，并且即使在以非常高的速率充電和放電時(shí)也能保持其良好的性能，由Yuihua Yu助理教授和UT Austin的Yu Ding和Yu Zhao領(lǐng)導(dǎo)的研究人員在最近一期Nano Letters上發(fā)表了關(guān)于新型無膜半流體電池的論文。研究人員解釋說，電池被認(rèn)為是“半流體”，因?yàn)樗褂靡簯B(tài)二茂鐵電解質(zhì)，液體陰極和固體鋰陽(yáng)極，我們工作的最大意義在于我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于新化學(xué)的半液體電池，”Yu告訴Phys.org。“電池具有出色的倍率性能，幾乎可在一分鐘內(nèi)完全充電或放電，同時(shí)保持良好的能源效率和合理的能量密度，代表了一種具有高能量密度和功率密度的有希望的原型液體氧化還原電池，用于儲(chǔ)能。
該電池專為電池技術(shù)的兩大領(lǐng)域應(yīng)用而設(shè)計(jì)：混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和可再生能源的儲(chǔ)能，如上圖所示，電池的高功率密度（1400 W / L）和良好的能量密度（40 Wh / L）使其處于獨(dú)特的有利位置，將功率密度與當(dāng)前超級(jí)電容器的功率密度相結(jié)合。能量密度與最先進(jìn)的氧化還原液流電池和鉛酸電池相當(dāng)，但略低于鋰離子電池。這種組合對(duì)于電動(dòng)車輛尤其具有吸引力，其中功率密度對(duì)應(yīng)于最高速度和對(duì)于每次充電的車輛范圍的能量密度，研究人員還在他們的論文中報(bào)告說，新電池具有高容量（137 mAh / g）和500次循環(huán)的高容量保持率80％。
研究人員將電池的良好性能歸功于其液體電極設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高速率，這基本上可以衡量電池的運(yùn)行速度。與固體電池相比，離子可以非常快速地移動(dòng)通過液體電池，并且在該特定電池中，電子在電極之間轉(zhuǎn)移的氧化還原反應(yīng)也以非常高的速率發(fā)生。為了比較，用于測(cè)量這些速率（擴(kuò)散系數(shù)和反應(yīng)常數(shù)）的值在新電池中比在大多數(shù)傳統(tǒng)液流電池中大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，盡管到目前為止電池看起來非常有前景，但研究人員指出，仍需要做更多的工作，尤其是鋰陽(yáng)極。
在長(zhǎng)期穩(wěn)定性和安全性方面，這種電池的潛在弱點(diǎn)是鋰陽(yáng)極，”Yu說。“需要更先進(jìn)的鋰陽(yáng)極保護(hù)來完全抑制自放電。我們認(rèn)為，只要電解質(zhì)兼容性得到解決，其他金屬如鋅和鎂也可以作為這種電池的陽(yáng)極。我們還期望其他有機(jī)金屬化合物具有多價(jià)態(tài)的金屬中心（氧化還原中心）也可以起到陽(yáng)極的作用，最終使電池充滿液體，未來，研究人員計(jì)劃在實(shí)際操作條件下測(cè)試電池的長(zhǎng)期耐久性，尤其是鋰陽(yáng)極。此外，研究人員希望找到一種方法來提高二茂鐵的溶解度，以進(jìn)一步提高能量密度，以與現(xiàn)有的鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)保持其非常高的功率密度。
開路放置的電池為什么會(huì)損失電荷？先天的影響主要來自于電池內(nèi)部電化學(xué)材料損失和電芯內(nèi)部短路。電芯材料的損失為不可逆反應(yīng)，造成電芯容量的損失，損失的多少，是容量恢復(fù)性能的體現(xiàn)；短路造成的電量損失，消耗了當(dāng)前電量，容量不受這部分反應(yīng)的影響。
容量損失帶來的電量損失（不可逆）與單純的電量損失（可逆）的和，是自放電量。
1.1 電化學(xué)材料的副反應(yīng)
材料副反應(yīng)主要發(fā)生在三個(gè)部分，正極材料、負(fù)極材料和電解液。
正極材料，主要是各類鋰的化合物，其始終與電解液存在著微量的反應(yīng)，環(huán)境條件不同，反應(yīng)的激烈程度也不同。正極材料與電解液反應(yīng)生成不溶產(chǎn)物，使得反應(yīng)不可逆。參與反應(yīng)的正極材料，失去了原來的結(jié)構(gòu)，電池失去相應(yīng)電量和永久容量。
負(fù)極材料，石墨負(fù)極原本就具備與電解液反應(yīng)的能力，在化成過程中，反應(yīng)產(chǎn)物SEI膜附著在電極表面，才使得電極與電解液停止了激烈的反應(yīng)。但透過SEI膜的缺陷，這個(gè)反應(yīng)也一直在少量進(jìn)行。電解液與負(fù)極的反應(yīng)，同時(shí)消耗電解液中的鋰離子和負(fù)極材料。反應(yīng)帶來電量損失的同時(shí)，也帶來電池最大可用容量的損失。
電解液，電解液除了與正負(fù)極反應(yīng)，還與自身材質(zhì)中的雜質(zhì)反應(yīng)，與正負(fù)極材料中的雜質(zhì)反應(yīng)，這些反應(yīng)均會(huì)生成不可逆的產(chǎn)物，使得鋰離子總量減少，也是電池最大可用容量損失的原因。
1.2 內(nèi)部短路
電池在生產(chǎn)制造過程中，不可避免的混入一些灰塵雜質(zhì)，這些雜質(zhì)屬性復(fù)雜，有些雜質(zhì)可以造成正負(fù)極的輕微導(dǎo)通，使得電荷中和，電量受損。
集流體的尺寸偏差和加工毛刺，也可能導(dǎo)通正負(fù)極。在電芯生命初期，只表現(xiàn)為自放電較高，而時(shí)間越長(zhǎng)，其造成正負(fù)極大規(guī)模短路的可能性越大，是電池?zé)崾Э氐囊粋€(gè)重要成因。
1.3 隔膜缺陷
隔膜本來的功能是隔離正負(fù)極，使得只有鋰離子通過而電子無法通過。如果隔膜質(zhì)量出現(xiàn)問題，屏障的作用不能正常發(fā)揮。一點(diǎn)微小的缺陷，也會(huì)對(duì)自放電率產(chǎn)生明顯的影響。
2 影響自放電率的后天因素
不同的使用環(huán)境，應(yīng)用狀態(tài)以及生命階段，電池的自放電率也會(huì)有所不同。
2.1 溫度
環(huán)境溫度越高，電化學(xué)材料的活性越高，前文匯總提及的正極材料、負(fù)極材料、電解液等參與的副的反應(yīng)會(huì)更激烈，在相同的時(shí)間段內(nèi)，造成更多的容量損失。
2.2 外部短路
開路放置的電池，其外部短路主要受到空氣污染程度和空氣濕度的影響。正規(guī)的電池自放電特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)，都會(huì)嚴(yán)格要求實(shí)驗(yàn)室環(huán)境以及濕度范圍，就是這個(gè)原因。高的空氣濕度會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電率上升。而空氣污染主要指，污染物中可能含有導(dǎo)電性顆粒，空氣的導(dǎo)電率會(huì)因此上升。
2.3 荷電量
研究人員專門對(duì)比過荷電量對(duì)自放電率的影響，總體趨勢(shì)是，荷電量越高，自放電率越高。最基本的理解，荷電量越高，表示正極電勢(shì)越高，負(fù)極電勢(shì)相對(duì)越低。這樣正極氧化性越強(qiáng)，負(fù)極還原性越強(qiáng)，副反應(yīng)就越激烈。
2.4 時(shí)間
在同樣電量和容量的損失效率下，時(shí)間越長(zhǎng)，損失的電量和容量也就越多。但自放電性能一般是用作不同電芯進(jìn)行比較的指標(biāo)，都會(huì)比“自放電率”，也就是相同前提條件，相同時(shí)間下，進(jìn)行比較，所以時(shí)間的作用只能說是影響“自放電量”。
2.5 SEI膜的老化
隨著電池循環(huán)使用的不斷增加，SEI膜的均勻性和致密性都會(huì)有所改變。逐漸老化的SEI膜對(duì)負(fù)極的保護(hù)逐漸出現(xiàn)漏洞，使得負(fù)極與電解液的接觸越來越多，副反應(yīng)增加。出于相同的原因，不同質(zhì)量的SEI膜，在電池生命初期也會(huì)帶來不同的自放電率。
