【天天速看料】新能源汽车的心脏—锂离子电池
近年来,随着排放标准的日益严苛,基于锂离子电池的新能源汽车异军突起,已成为取代传统燃油车的新生力量。锂离子电池之所以备受瞩目,首先来自于其较高的能量密度,高的能量密度可以实现相同电池体积下拥有更高的续航能力。图1为不同电池类型的体积密度和能量密度的对比,从中可以的清晰地看到锂离子电池在主流的电池类型中,能量密度方面仍然具有较高的优势。
(资料图片仅供参考)
虽然铅酸蓄电池成本低廉,在许多场景下均有大量应用,但能量密度低是其无法回避的硬伤。图中纵轴表示不通电池类型的体积能量密度,横轴表示重量能量密度,可以看出,铅酸蓄电池在两方面的表现都不尽如人意。而锂离子电池在上述两方面均具有压倒性优势。因此,选择锂离子电池作为电动汽车的储能器件,可以携带更多的电量,从而达到更高的续航里程。
图1**.** 新能源汽车与不同类型电池能量密度对比**[1]**
锂离子电池基本工作原理
锂离子电池和大多数电池一样,由正极(Cathode)、负极(Anode)、隔膜、电解液以及辅助配件组成。电极间填充了电解液,只有锂离子可以通过,电子只能通过外部线路在电极间移动。电化学反应被分为两部分,放电时正极发生还原反应,锂离子得到电子,嵌入正极;负极发生氧化反应,锂失去电子,脱离负极。将电池的两个电极想象成两块含有水的海绵,一个在高位,一个在低位。拥有高电势的电池负极对应高位海绵,高位海绵里的水拥有更高的重力势能,当你挤压高处的海绵时,水会自然地流向低处的海绵。高处的海绵储存的水越多,就拥有更多的势能,水压就更大。同理,对于电池而言,电压就如同水压,电池的电压越高,性能越好。电压是两极间的电势差,锂具有最负电极电势,所以锂电池的电压最大。
图****2.锂离子电池工作原理(来源于网络**)**
石墨负极
石墨作为锂离子电池负极有诸多优势,其中最重要的是石墨独特的层状结构,所以石墨可以不断地储存和释放锂离子。充电时,可以将相对多的锂离子填充进去,放电时再释放出来。这种独特的嵌入/脱嵌方式使得石墨在作为锂离子电池负极时表现出了良好的电化学性能。锂金属氧化物正极(eg. LiCoO2)和石墨负极组合成全电池后,电池的体积能量密度可达到300-650瓦时/升,重量能量密度达到200-260瓦时/千克。库仑效率可达99.99%,这意味着当10000个锂离子在充电过程中从一端送到另一端后,在放电过程中会有9999个锂离子返回来。意味着电池可以充放电超过1000次,甚至极限循环达5000次。这也是我们如此钟情于锂离子电池的另一重要原因—锂离子电池的超强循环能力—这一点的重要性甚至超过了能量密度。因此,一辆500公里续航里程的电动车,按5000次的极限循环次数来算,寿命是远超燃油车的。
图****3.石墨结构的层状堆积
我们对于锂离子电池的技术期待无外乎六点:快充能力、能量密度、安全性、稳定性、以及寿命和成本。
在这些技术特性中,快充能力已经成为当下电动汽车选择过程中刚需一样的存在。手机没电了,我们可以一边充电一边使用,或者干脆放在一边充电,等充满后再使用。但如果是一辆长途旅行中的电动车没电了,没有多少人会接受停下几个小时来充电。理想的理想停留时间,一般是10或15分钟,喝杯奶茶或吃一顿快餐,然后马上回到路上。
而限制锂离子电池快充的,是负极的石墨材料。为了更好地解释快充时发生的现象,我们需要先解释充电过程。在锂离子电池中,石墨的内部空隙里面充满了电解液。电池充电的过程,实质就是将锂离子和电子填充进石墨负极空隙的电解液中。在开始阶段,石墨空隙中的锂离子含量不多,其他锂离子可以快速填充进去,但当充电进行到一定程度后,石墨空隙中的锂离子变多,空间变小。继续充电,就是继续填充锂离子,当然会使负极的能量水平升高。但是负极材料不是在所有能量水平下都可以保持稳定,超过一个临界点,石墨负极中的电解液处于饱和状态,电子就不能轻易进入,就不再和锂离子在石墨内结合,而是消耗电解质,在石墨表面形成一个反应层SEI(solid electrolyte interphase)。
而奇妙的是,恰恰是这个反应层的存在,使得锂离子电池得以正常工作和循环。如果没有这个反应层保护石墨免受进一步反应的影响,我们将不能重复充放电1000次。锂离子无法快速通过SEI,所以当你进行快充时,实际上,你是在优先给石墨表面的SEI层充电,大量的锂离子聚集在了SEI的表面,最终新的锂金属枝晶。这样循环下去,枝晶不断生长,形成更大的锂金属枝晶。这些较大的枝晶除了可以降低锂离子电池循环寿命之外,在充放电过程中更存在刺穿隔膜的风险,从而导致锂离子电池的自燃。近年来大量锂离子电池自燃的报道也正式基于该过程。
此外,石墨材料较低的理论容量也极大制约了锂离子电池能量密度的提升。石墨电极的理论容量仅为372 mAh/g,这就意味着在电动汽车中,电池的重量将会在整车质量中占据较大的比例。当电池容量进一步增加,电池自身的重量也会在行驶过程中消耗掉大量的电能,从而进一步制约电动汽车的续航里程。
发展新的负极材料
从上述分析可以看出,探索具有新型储能机制的锂离子电池负极材料,对于提高锂离子电池的相关性能将起到至关重要的作用。为此,本课题组在该领域进行了大量的实验,通过调控材料的结构与组成,设计合成了一系列具有良好性能的锂离子电池负极材料。相关工作内容如下:
(1)以MnCl2(2-meim)3为前驱体,通过快速水解得到直径约为40 nm的Mn3O4纳米颗粒。为了增加材料导电性、解决纳米材料在充放电过程中容易团聚的问题,进一步将其在乙炔/氩气气氛中高温煅烧,通过控制煅烧时间得到具有不同碳层厚度包覆的MnO@C纳米颗粒。采用恒流充放电(GCD)、循环伏安(CV)和电化学阻抗(EIS)对其电化学反应过程进行分析。结果表明,碳层厚度的差异对锂离子扩散速率、电导率、极化以及电化学反应机理都有着显著的影响。针对该材料在高电流密度下(1 A g-1)表现出的良好的循环稳定性,通过dV/dQ微分计算对其原因进行了详细的分析与讨论。该合成方法具有合成路线简单、易于规模化等优点,为实现高性能锂离子电池电极材料规模生产提供可能。
图****4.MnO@C复合材料合成示意图[2]
(2)利用简单盐焙法合成了基于赝电容行为的Co3V2O8高性能负极材料。在赝电容效应的作用下,Co3V2O8材料同时表现出较高的能量密度和功率密度。该合成方法制备简单且可规模化,为大规模制备锂离子电池负极材料提供解决方案。
图****5.Co3V2O8赝电容材料合成及性能展示[3]
(3)以三苯基氯化锡和L-半胱氨酸为原料,采用简单的一步固相合成法,制备了S、N共掺杂碳支撑的SnO2复合材料(SnO2/SNC)。较之纯SnO2,所制备SnO2/SNC复合材料的循环稳定性有了大幅度的提升。通过对所制备产物含碳量的优化,该材料在2 A g-1的大电流密度下循环1000圈后,容量仍可达600 mAh g-1。相关实验显示,材料循环稳定性的提升可以归因于电极材料导电性的提高。碳的引入可以有效改善电化学反应的可逆性,从而抑制由合金化反应过程所导致容量衰退。
图****6.S/N共掺杂碳支撑的SnO2复合材料合成示意图**[4]**
这些工作的开展,为相关锂离子电池负极材料的设计提供了良好的理论支持和实验依据。在后续的工作中,我们将对材料结构-性能之间的关系进一步进行挖掘,以期获得性能更加优异的锂离子电池负极材料。
参考文献
1.Tarascon J-M,Armand M. Issues and Challenges Facing Rechargeable Lithium Batteries. Nature.2001;414:359–367.
2.Jiao R, Zhao L, Zhou S, Zhai Y, Wei D, Zeng S,Zhang X. Effects of Carbon Content and Current Density on the Li(+) Storage Performance for Mno@C Nanocomposite Derived from Mn-Based Complexes. Nanomaterials (Basel).2020;10.
3.Jiao R, Xiao X, Zhou S, Zhu K, Zhang Y, Wei D,Zeng S. Solid-State Fabrication of Co3v2o8@C Anode Materials with Outstanding Rate Performance and Cycling Stability by Synergistic Effects of Pseudocapacity and Carbon Coating. The Journal of Physical Chemistry C.2022;126:903-911.
4.Zhou S, Zhou H, Zhang Y, Zhu K, Zhai Y, Wei D,Zeng S. Sno2 Anchored in S and N Co-Doped Carbon as the Anode for Long-Life Lithium-Ion Batteries. Nanomaterials (Basel).2022;12.
导师简介
曾涑源,聊城大学化学化工学院副教授,硕士研究生导师。近年来主要研究方向为锂离子电池电极材料的设计合成,锂离子电池的综合回收利用。迄今为止,以第一/通讯作者在J. Mater. Chem. A, Applied Materials & Interfaces, Journal of Colloid and Interface Science等国际期刊发表学术论文30余篇。关于锂离子电池回收的相关工艺目前已通过前期实验,有望在近期进行中试。
招生方向:物理化学
推荐
精彩放送
-
【天天速看料】新能源汽车的心脏—锂离子电池
科普中国资源服务
-
【闪电揭秘】日入10000?滨州无棣千年古桑园APP项目399模式怎么赚钱?
每天啥也不干?躺着就能全自动日入10000?是的,互联网的平民造富神话屡见不鲜,滨州无棣千年古桑园APP...
-
环球消息!聊聊伤口敷料那些事
科普中国资源服务
-
世界滚动:这10种被吹上天的“伪健康”食品,坑你的钱还让你胖!
科普中国资源服务
-
报道:鸟类分类垃圾筒——鹛类系统进化研究新进展
科普中国资源服务
-
焦点报道:小时候你打过针吗?
科普中国资源服务
-
重点聚焦!濒危物种——黄巨蜥|科普小课堂
科普中国资源服务
-
简讯:首届宁夏中学生科普科幻作文大赛获奖作品展示:杂交水稻
科普中国资源服务
-
世界观察:物质密度能够大到什么程度?中子星告诉你:每立方厘米重达20亿吨
科普中国资源服务
-
消息!能饮能药是咖啡
科普中国资源服务
-
天天动态:物质为何不能小于普朗克长度
科普中国资源服务
-
每日焦点!首届宁夏中学生科普科幻作文大赛获奖作品展示:起 源
科普中国资源服务
-
观察:文小刚:什么是量子比特?丨众妙之门
科普中国资源服务
-
全球动态:世界最偏僻的地方是哪里
科普中国资源服务
-
热消息:能抵御9级地震和航班撞击的核电机组,中国造!丨大国科技范
科普中国资源服务
-
天天百事通!首届宁夏中学生科普科幻作文大赛获奖作品展示:神奇的丹丸
科普中国资源服务
-
每日热讯!2022诺贝尔物理学奖:遇事不决,量子力学,微观世界的魔术师
科普中国资源服务
-
世界简讯:大自然的鬼斧神工,快来看你从未见过的神奇景观!
科普中国资源服务
-
资讯推荐:国际公认的一类致癌食物,很多家庭一日三餐都吃!
科普中国资源服务
-
环球速递!它变色了,也“变性”了……
科普中国资源服务
-
全球报道:搪瓷和陶瓷,你分清了吗?
科普中国资源服务
-
世界最新:“元宇宙”离我们有多远
科普中国资源服务
-
世界速讯:果树到冬季为啥要涂白?
科普中国资源服务
-
环球热门:【急救小常识】同伴溺水如何科学施救?
科普中国资源服务
-
环球热点评!今日重阳丨感恩!生命中最重要的人!
科普中国资源服务
-
资讯:太阳为啥还没有烧完?每秒消耗420万吨物质,都已经烧了46亿年
科普中国资源服务
-
热议:喝酸奶真的解酒吗?华西医生:没用!这个才有效
科普中国资源服务
-
当前滚动:中国秋水地图,来了!
科普中国资源服务
-
天天微资讯!你见过一天能暴走20公里的爆炸头吗?
科普中国资源服务
-
每日热门:应急科普—地震预警防御指南
科普中国资源服务
-
天天微速讯:逐梦星空,这些历史很“燃”丨大国科技范
科普中国资源服务
-
简讯:透视2022诺奖:人类如何诞生?
科普中国资源服务
-
全球新动态:运动如何改善免疫力?
科普中国资源服务
-
世界时讯:如果外星人来了,人类打不赢能躲得了吗?
科普中国资源服务
-
环球热资讯!真·要命:这种常见小花,花蜜不是谁都能采!
科普中国资源服务
-
环球快报:我们在宇宙中的“位置”
科普中国资源服务
-
当前热议!看完这篇文章,你就“打”遍天下无敌手了
科普中国资源服务
-
每日聚焦:站着吃好还是坐着吃好?看你是想减肥还是增重
科普中国资源服务
-
环球快资讯丨可怕的冥王星:被踢出太阳系行星行列,其实一点也不冤
科普中国资源服务
-
全球观速讯丨阿根廷巨鹰真以吃狮子为生?翅膀超7米身高超2米,仍未找到天敌
科普中国资源服务
-
每日热门:用公共卫生间会感染HPV?你怕是对HPV有什么误解
科普中国资源服务
-
焦点信息:从进化角度来看,人类繁衍后代,男性和女性谁付出得更多?
科普中国资源服务
-
环球头条:统治了地球1亿7千万年,恐龙却没有进化成高等智慧生物,为何?
科普中国资源服务
-
天天实时:人类的小行星-地球拯救计划
科普中国资源服务
-
全球新动态:大熊猫凭什么是国宝?
科普中国资源服务
-
环球即时看!地球上的沙子很多,宇宙中的恒星更多,宇宙中有多少星系?
科普中国资源服务
-
【新要闻】枕头只是用来枕“头”的?这么多年可能做错了
科普中国资源服务
-
短讯!谁来终结罕见高温?唯有寒潮强冷空气!
科普中国资源服务
-
世界看点:儿童听力受损,影响的只是说话吗?
科普中国资源服务
-
焦点观察:这种油会促进癌症转移?泡面、炸鸡、膨化食品还能吃么?
科普中国资源服务
-
当前最新:我国龟鳖的分布和分类
科普中国资源服务
-
动态:气候变暖,鸟类被迫北漂?
科普中国资源服务
-
环球关注:10年,从0到3……丨大国科技范
科普中国资源服务
-
天天简讯:中国的“母亲花”原来不是康乃馨,而是它!
科普中国资源服务
-
当前快看:海洋科普漫画丨这幅长图告诉你,海底8000米的世界是多么奇妙!
科普中国资源服务
-
每日短讯:电催化在现代科技中的重要作用
科普中国资源服务
-
环球看点!象形文字究竟从何而来?
科普中国资源服务
-
当前要闻:臭氧污染威胁植物健康,传粉昆虫更难找到花朵|绿会国际讯
科普中国资源服务
-
世界看热讯:多伦多大学最新研究成果:确定北冰洋温盐阶梯的机制|绿会国际讯
科普中国资源服务
-
每日报道:中国天眼究竟有多厉害?
科普中国资源服务
-
每日报道:金星距离地球最近,为什么人类不登陆金星,而去火星?
科普中国资源服务
-
全球消息!老年人、慢性病患者改善免疫力的饮食建议
科普中国资源服务
-
新资讯:为什么“平头哥”无所畏惧?敢和各种毒蛇猛兽硬碰硬!
科普中国资源服务
-
每日观点:地球一直在高速飞行,为何人类毫无察觉?
科普中国资源服务
-
焦点速读:从“一”到“L”,问天实验舱成功转位!
科普中国资源服务
-
热点聚焦:鄢陵县一枫少年科学院试运行
科普中国资源服务
-
环球今日报丨C919获型号合格证!
科普中国资源服务
-
微资讯!国庆出行必看!关系到每个人
科普中国资源服务
-
【闪电揭秘】千年古桑园是传销吗?
你好这位朋友,我是杨中根,千年古桑园首批内测团队长之一。对于千年古桑园是传销吗?这个问题,我经过...
-
【闪电揭秘】千年古桑园是什么?
嘿嘿,你好,我是杨中根,非常高兴认识你。我是千年古桑园项目总部,邀请过来参与内测的团队长之一。下...
-
【闪电揭秘】千年古桑园投资多少钱?
千年古桑园投资多少钱?399即可,以小博大。你好,我是杨中根,互联网创业多年,闪电军团创始人,千年古...
-
【世界聚看点】食物破壁机是营养吸收助推器,还是智商税?
科普中国资源服务
-
世界热点!长江江豚科考日记:我是江豚的“特约观察员”
科普中国资源服务
-
当前热议!越能吃辣的地方,肛肠医院越多?
科普中国资源服务
-
【当前热闻】问天实验舱转位,硬核知识点来了!
科普中国资源服务
-
世界实时:首次在野外记录到捕鱼的狐狸,背后的原因令人暖心
科普中国资源服务
-
天天信息:学好物理,你就能做出最好吃的炒饭......吗?
科普中国资源服务
-
天天短讯!特斯拉劲敌来了!蔚来ET5正式交付:能超越宝马吗?
9月30日消息,近日,蔚来官方宣布,蔚来ET5正式开启交付,包括上海和苏州等多个城市。据悉,蔚来官方对...
-
观察:比主机还好赚?索尼4款游戏登陆PC平台:一年狂揽3亿美元
9月30日消息,索尼将在Steam和Epic游戏商城发布四款PS5游戏,分别为《神秘海域:盗贼遗产合集》、《麻布...
-
每日关注!换代车型来了!理想L8今日上市:配置全面升级
9月30日消息,近日,备受关注的理想L8正式上市,售价在35 98万元到39 98万元之间。从即日起开启大定,...
-
【世界播资讯】玉米事件再起风波!胖东来召回东北农嫂玉米:进货价比直播价还贵
2022年的今天,直播带货已经是不少商品重要的销售渠道。对消费者而言,直播带货的最大吸引力之一就是比...
-
微动态丨油价又要降!国庆节后加油更便宜:利好燃油车?
9月30日消息,新一轮成品油零售价调整窗口将于10月10日24时开启,按照此前预计的下调标准来看,此次降下...
-
世界报道:【国际聋人日】保护耳朵,关爱听障人士
科普中国资源服务
-
世界聚焦:10分钟不到就能充满电!手机超大功率快充曝光:不只200W
快充一直是手机行业内“内卷”的一个方向,充电功率早就突破了百瓦,现在甚至已经有继续用上了200多瓦的...
-
世界观速讯丨不如国产机!iPhone 14 Pro DXO评分只排第二
9月30日消息,近日,DXOMARK公布了iPhone14Pro的影像成绩,总分为146分。虽然这是该机构有史以来测过影...
-
环球关注:特斯拉整活!马斯克称Cybertruck能当船用:进水不保修
9月30日,马斯克在个人社交平台透露了特斯拉电动皮卡Cybertruck的全新特性,该特性为其带来了强大的防水...
-
焦点播报:iOS16又更新!解决iPhone14大问题:旧版验证已关闭
9月30日,苹果正式关闭了iOS16 0与iOS16 0 1验证通道,用户再无法升级或降级到这个版本,但非iPhone1...
-
【世界播资讯】国产Model 3/Y降价?特斯拉最新回应来了:不实消息
9月30日消息,近日,据财联社报道,特斯拉官方出面回应,网上流传的国产Model3和ModelY即将大幅降价的消...
-
回归用户体验本原,OriginOS原系统释放vivo X Fold+多场景应用可能性
2022年9月26日,vivo X Fold+正式发布,作为一款当之无愧的折叠屏旗舰,vivo X Fold+在硬件和软件两...
-
【闪电揭秘】千年古桑园模式怎么赚钱?
HELLO,这位朋友,我是杨中根。互联网创业多年,很高兴认识你。我是受邀参与千年古桑园项目内测的团队长...
创投更多》
-
欧菲光上半年净利亏损8.74亿 因苹果终止采购关系?
8月30日消息,日前,欧菲光发布2022年半...
-
欧菲光上半年净利亏损8.74亿 因苹果终止采购关系?
8月30日消息,日前,欧菲光发布2022年半...
-
映宇宙:上半年总收入40.6亿元 商誉减值亏损约为1.1亿元
8月29日消息,映宇宙发布截至2022年6月3...
-
贾跃亭的FF91量产有新转机 有望2022年第三季度启动交付
对于贾跃亭来说,FF91的量产交付迟迟没...
-
44家上市企业一年财报:小家电撑不起千亿市值
作为互联网原住民,这届年轻人极其热衷...