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锂离子电池开始一路狂奔,走近动力电池

锂离子电池开始一路狂奔,走近动力电池

来源:
2021/12/22 09:05
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【摘要】:

  1800年,意大利物理学家亚历山德罗-沃尔塔发明了人类历史上第一个电池--沃尔塔堆。第一个电池由锌片(阳极)和铜片(阴极)以及浸泡在盐水(电解质)中的纸制成,展示了电力的人工可能性。

  从那时起,作为一种能够提供持续稳定电流的装置,电池经历了200多年的发展,并不断满足人们对灵活用电的需求。

  近年来,随着人们对可再生能源的巨大需求和对环境污染的日益关注,能够将其他形式的能量转化为电能并以化学能的形式储存起来的二次电池(或称蓄电池),继续为能源系统带来变革。

  锂电池的发展从另一个方面说明了社会的进步。事实上,手机、电脑、相机和电动汽车的快速发展是基于锂电池技术的成熟。

  陈根。锂电池的诞生与焦虑,走近了

  锂电池的诞生

  电池有正负两极。正极,也被称为阴极,通常由较稳定的材料制成,而负极,也被称为阳极,通常由 "高活性 "金属材料制成。正负两极被电解质分开,以化学能量的形式储存在两极。

  两极之间的化学反应产生了离子和电子,这些离子和电子在电池内移动,迫使电子向外移动,形成一个循环,产生电力。

  在20世纪70年代,美国的石油危机,加上军事、航空、医药和其他领域的新的电力需求,刺激了对可充电电池的寻找,以储存可再生的清洁能源。

  在所有金属中,锂具有非常低的比重和电极电位。换句话说,锂电池系统在理论上可以达到最大的能量密度,所以锂是电池设计师的自然选择。

  但是,锂的反应性很强,当暴露在水或空气中时,它可以燃烧和爆炸,因此驯服锂已成为电池开发的关键。此外,锂在室温下很容易与水反应,如果金属锂要用于电池系统,引入非水电解质是至关重要的。

  1958年,哈里斯提出使用有机电解质作为金属电瓶的电解质。1962年,美国军方的LockheedMissile and SpaceCo.ChiltonJr.和Cook提出了 "锂非水电解质系统 "的想法。

  奇尔顿和库克设计了一种新型的电池,使用金属锂作为负极,Ag、Cu、Ni卤化物作为正极,低熔点金属盐lic1-AlCl3溶解在碳酸丙烯酯中作为电解质。尽管该电池的问题使其停留在概念上而不是商业上的可行性,但奇尔顿和库克的工作是锂电池研究的开始。

  1970年,日本松下电器公司和美国军方几乎同时独立合成了一种新的正极材料--氟化碳。分子表达式为(CFx)N(0.5≤x≤1)的结晶氟化碳被松下电器有限公司成功制备,并被用作锂电池的正极。氟化锂电瓶的发明是锂电池发展史上的重要一步。这是第一次将 "嵌入式化合物 "引入到锂电池的设计中。

  然而,为了实现锂电池的可逆充放电,关键在于化学反应的可逆性。那时,非充电电池大多使用锂负极和有机电解质。为了实现可充电电池,科学家们开始研究将锂离子可逆地插入层状过渡金属硫化物的正极。

  埃克森美孚公司的StanleyWhittingham发现,通过使用层状TiS2作为正极材料,可以测出插层化学反应,而放电产物是LiTiS2。

  1976年,Whittingham开发的电池取得了良好的初始效率。然而,在反复充放电几次后,电池内部形成了锂枝晶,枝晶从负极长到正极,形成短路,造成了点燃电解液的危险,最终失败。

  1989年,由于锂/钼二次电池的火灾事故,除少数公司外,大多数公司退出了金属锂二次电池的开发。由于安全问题无法解决,金属锂二次电池的开发基本停止了。

  由于各种改造的效果不佳,对锂金属二次电池的研究陷入了停滞。最后,研究人员选择了一种激进的解决方案:由嵌入式化合物充当锂金属二次电池的正负极的摇椅电池。

  20世纪80年代,古德诺在英国牛津大学研究层状钴酸锂和镍酸锂正极材料的结构。最终,研究人员实现了一半以上的锂可逆地从正极材料中脱出。这一结果最终导致了The的诞生。

  1991年,SONY公司推出了第一个商业化的锂电池(阳极石墨,阴极锂化合物,电极液体锂盐溶于有机溶剂)。由于具有能量密度高和不同配方能适应不同使用环境的特点,锂电池已经实现了商业化并在市场上广泛使用。

 

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