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    发表时间/2022-09-28
  • 超低温锂电池理论分解及发展趋势

    锂离子电池(LiCoO2)是一种由单质的锂原子组成的新型电池,具有比容量高、能量密度大、循环寿命长等特点。其能量密度在锂离子充放电过程中保持着极高的稳定性,其实际应用范围较宽,在移动电源(电动车)、太阳能储能以及电动汽车充电等领域都有广泛应用。由于锂材料价格昂贵,且对环境有一定影响,因此研究人员希望能在超低温下实现锂离子电池的实际应用。研究表明,使用锂硫电池作为电极或电解液的锂硫离子电池能够在零下100℃下实现容量保持。然而,由于锂离子电池工作温度很低,充放电过程中会出现一些问题——如出现不稳定;能量密度较低;安全性较差等。


    1.低温锂离子电池的发展

    低温锂离子电池是未来锂硫离子电极技术的发展方向之一,它能在-50℃-200℃之间维持长时间并具有较高的能量密度。然而,许多因素都会导致低温锂离子电池出现故障、安全隐患、充电时的不稳定以及产生有害气体等问题,因此其实际应用范围并不是很宽。在锂金属负极材料中,锂硫电化学活性非常低,导致电池存在着严重不稳定问题。此外,使用电解液作为电极时,会导致电池出现容量损失等问题。因此,需要开发出能够让锂离子不间断地工作的新电池结构。为了克服上述问题,研究者们已经提出了许多新的设计思路来解决这些问题。


    2.低温下锂硫电池的理论分析

    尽管目前锂离子电池的工作温度已超过了100℃,但其充放电过程仍需要保持较低的工作温度。对锂硫电池进行低温充放电实验,可模拟锂离子在锂硫电池中的扩散过程。研究人员发现从 Li离子到 Sr离子的扩散量随温度下降而增加(图2),其原因是在较高温度(150℃至200℃)时 Sr分子被活化,而 Sr能促进锂离子沉积物在锂硫内部扩散,导致 Sr分子进入 Li/S界面;同时还存在部分 Sr与 S原子间的相互作用。因此,通过改变反应中硫化物的含量可实现在较高温度(100℃至150℃)下维持容量的目的。此外,由于 Li/S界面可能存在电荷转移能力较弱的问题,因此将硫作为正极可能是一种较为可行的方案。同时,锂硫电池因其高品质、低成本、长循环寿命等优势可以用作未来电池开发中考虑的方向。


    3.总结与展望

    锂离子电池在零下100℃的超低温条件下仍有潜力使用,特别是在低温下。然而,由于锂离子电池内部发生过氧化反应,会使充、放电热发生变化,因此目前还没有实现低温锂硫电池在零下100℃下的实际应用。为了使锂离子电池在零下100℃下正常充满电,锂硫电池电极或电解液应该使用具有优秀性能的电极材料,如碳纳米管、聚合物或金属氧化物等。另外,在零下100℃~0℃的超低温条件下,电解液必须能保证电极与电解液中的水分能及时排出。在零下100℃~0℃范围内进行超低温充电时,锂离子电池内部产生的过氧化反应不能及时排出而导致循环寿命急剧缩短。因此,对超低温状态下锂离子电池进行更好地控制和保护尤为重要。因此今后研究人员应该继续探索在超低温锂离子电池中发展更加高效和安全的电极和电解液。


    4.总结

    锂硫离子电池在超低温环境下表现出良好水平,不仅能够在零下50℃至零下40℃之间充放电,还能在-70℃至-100℃之间稳定放电,在极寒环境中具有非常高的应用潜力,但由于该电池需要使用超低温电解液以及极低的工作电压,所以其充放电效率较低。因此,开发出更低性能的锂硫离子电池,对其应用非常重要。此外,研究人员还应在锂硫离子电池充放电过程中提高安全性。另外还应深入研究锂硫电池的电极与电解液,并通过调控电池参数实现电池低电压运行等方式,来提高其循环稳定性。


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