锂离子电池的优缺点有哪些?提高锂离子电池能量密度的方法有哪些?

2019-12-23      1846 次浏览

锂离子电池:是一种二次电池(可充电电池),主要是依靠锂离子在电池正极和负极之间的移动进行工作。即在充放电过程中,Li+在两个电极之间往返进行嵌入和脱嵌过程。其中,充电时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;而放电时则刚好相反。锂离子电池存在以下优点:1)、电压高,单体电池的工作电压高达3.7-3.8V;2)、比能量大;3)、循环寿命长;4)、安全性能好,无公害,无记忆效应;5)、自放电小;6)、快速充电;7)、工作温度,工作温度一般在25~45oC之间。然而,宏观上锂离子电池主要有以下缺点:1)、衰老,有使用寿命;2)、回收率低;3)、不耐受过充;因为过充电时,过量嵌入的锂离子会永久固定于晶格中,无法再释放,可导致电池寿命减短。4)、不耐受过放;因为过放电时,电极将脱嵌过多的锂离子,可导致晶格坍塌,从而缩短寿命。

1、从负极材料上提高能量密度和功率密度的方法


(1)多层自组装结构实现集成不同尺寸的材料的优点


在层状过渡金属氧化物中,Li和M(M=金属)阳离子占据O-阵列的八面体空隙。Li层位于两个相邻的MO6八面体层之间,Li离子具有二维(2D)扩散路径


(2)核心/蛋黄-壳层结构提供的协同效应


除了LiFePO4和LiMnPO4之外,LiFexMn1-xPO4也是一种很有前途的负极材料。例如Scrosati及其同事通过两步沉淀路线制备碳涂层的核-壳结构的LiMn0.85Fe0.15PO4-LiFePO4,很好的结合了LiMnPO4的高电位和LiFePO4的高稳定性。


(3)大孔、中孔和微孔的多孔结构适应体积膨胀并促进电解质渗透


独特的分层结构中有电解质膨胀的宏/中孔的网络和缓冲的保护性碳壳,有利于连续电子传导和快速离子传输。


2、从正极材料上提高提高能量密度和功率密度的方法


(1)纳米工程技术来增强转换型正极材料(CTAM)


转化反应通常是指Li+与过渡金属化合物(MaXb,M=Mn,Fe,Co,Ni,Cu,X=O,S,Se,F,N,P等)之间的氧化还原反应。其涉及具有高理论比容量的锂二元化合物(LinX)的形成和分解(方程式1)。通常,由M-X键的离子性确定的反应电位在相对于Li/Li+的0.5-1.0V的范围内,使得大多数过渡金属化合物都可以作为潜在的正极。


3、利用核心双壳电极促进柔性锂离子电池的高重量能量密度


虽然已报道的柔性材料具有优异的特性,但是它们主要的问题是机械稳定性程度。尽管碳纤维布(CC)的优异机械稳定性可以解决该问题,但CC仍然受到低表面积、更大重量和低存储容量的限制。正如Tong课题组所报道的在柔性CC核-壳阳极([email protected])上生长NiCo2O4纳米线(NCONWs)来设计单片核-双壳([email protected]CDS)。[email protected]@NCOCDS电极显示出优于原始CC涂层NCO([email protected])的锂储存性能。


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