隨著對智能手機(jī)，電動汽車和可再生能源的需求持續(xù)增長，科學(xué)家們正在尋找改進(jìn)鋰離子電池的方法-鋰離子電池是家用電子產(chǎn)品中最常見的電池類型，也是電網(wǎng)規(guī)模儲能的有前途的解決方案。提高鋰離子電池的能量密度可以促進(jìn)具有長效電池的先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，以及風(fēng)能和太陽能的廣泛使用?，F(xiàn)在，研究人員在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)方面取得了重大進(jìn)展。

由馬里蘭大學(xué)(UMD)，美國能源部(DOE)布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室和美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的合作開發(fā)并研究了一種能夠使鋰離子能量密度增加三倍的新型陰極材料。電池電極。他們的研究成果于6月13日在NatureCommunications上發(fā)表。
鋰電池和鋰電池組的內(nèi)阻是不一樣的
“鋰離子電池由陽極和陰極組成，”UMD科學(xué)家和該論文的主要作者之一的秀林秀說?！芭c鋰離子電池中使用的商用石墨陽極的大容量相比，陰極的容量更加有限。陰極材料始終是進(jìn)一步提高鋰離子電池能量密度的瓶頸?！?/span>

UMD的科學(xué)家們合成了一種新的陰極材料，這是一種改良的工程形式的三氟化鐵(FeF3)，由經(jīng)濟(jì)有效和環(huán)境友好的元素-鐵和氟組成。研究人員一直對在鋰離子電池中使用FeF3等化合物感興趣，因?yàn)樗鼈兙哂斜葌鹘y(tǒng)陰極材料更高的容量。

“通常用于鋰離子電池的材料都是基于插層化學(xué)，”布魯克海文的化學(xué)家和該論文的主要作者之一EnyuanHu說?！斑@種類型的化學(xué)反應(yīng)是非常有效的;但是，它只轉(zhuǎn)移一個電子，因此陰極容量是有限的。一些化合物如FeF3能夠通過更復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)制轉(zhuǎn)移多個電子，稱為轉(zhuǎn)化反應(yīng)?！?/span>
邦力威鋰電池按照用途可分為：動力鋰電池，儲能鋰電池，電動工具鋰電池，醫(yī)療設(shè)備鋰電池，機(jī)器人鋰電池，AGV鋰電池
盡管FeF3具有增加陰極容量的潛力，但該化合物在鋰離子電池中的表現(xiàn)并不理想，因?yàn)槠滢D(zhuǎn)化反應(yīng)存在三個并發(fā)癥：能效差(滯后)，反應(yīng)速度慢，副反應(yīng)可能導(dǎo)致循環(huán)壽命不佳。為了克服這些挑戰(zhàn)，科學(xué)家們通過一種稱為化學(xué)替代的過程將鈷和氧原子添加到FeF3納米棒中。這使科學(xué)家能夠操縱反應(yīng)途徑并使其更具“可逆性”。

“當(dāng)鋰離子被插入到FeF3中時，這種物質(zhì)會轉(zhuǎn)化為鐵和氟化鋰，”該論文的合著者和布魯克海文功能納米材料中心(CFN)的科學(xué)家SooyeonHwang說?！叭欢?，反應(yīng)不是完全可逆的。用鈷和氧取代后，陰極材料的主要骨架更好地保持，反應(yīng)變得更加可逆?！?/span>
磷酸鐵鋰電池的電化學(xué)性能有充電特性，放電特性，低溫特性，壽命
為了研究反應(yīng)途徑，科學(xué)家們在CFN和國家同步加速器光源II(NSLS-II)-布魯克海文的兩個DOE科學(xué)用戶設(shè)施辦公室進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)。

首先在CFN，研究人員使用強(qiáng)大的電子束以0.1納米的分辨率觀察FeF3納米棒-一種稱為透射電子顯微鏡(TEM)的技術(shù)。TEM實(shí)驗(yàn)使研究人員能夠確定陰極結(jié)構(gòu)中納米顆粒的確切尺寸，并分析結(jié)構(gòu)在充電-放電過程的不同階段之間如何變化。他們看到取代納米棒的反應(yīng)速度更快。

“TEM是一種用于表征非常小尺度材料的強(qiáng)大工具，它還能夠?qū)崟r研究反應(yīng)過程，”CFN的科學(xué)家和該研究的共同作者DongSu說?！叭欢?，我們只能使用TEM看到非常有限的樣品區(qū)域。我們需要依靠NSLS-II的同步加速器技術(shù)來了解整個電池的功能?！?/span>
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在NSLS-II的X射線粉末衍射(XPD)光束線上，科學(xué)家們通過陰極材料引導(dǎo)了超亮X射線。通過分析光散射的方式，科學(xué)家們可以“看到”有關(guān)材料結(jié)構(gòu)的其他信息。

“在XPD，我們進(jìn)行了配對分布功能(PDF)測量，能夠檢測大量的當(dāng)?shù)罔F排序，”該論文的合著者和NSLS-II的科學(xué)家白建明說?！皩Ψ烹婈帢O的PDF分析清楚地表明，化學(xué)替代促進(jìn)了電化學(xué)的可逆性。”
鋰電池的過放電，會對鋰電池的壽命影響非常大
在CFN和NSLS-II上結(jié)合高度先進(jìn)的成像和顯微技術(shù)是評估陰極材料功能的關(guān)鍵步驟。

“我們還進(jìn)行了基于密度泛函理論的先進(jìn)計(jì)算方法，以破解原子尺度的反應(yīng)機(jī)制，”UMD的科學(xué)家，該論文的共同作者肖驥說。“這種方法表明化學(xué)替代通過減少鐵的粒徑和穩(wěn)定巖鹽相將反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨瓤赡娴臓顟B(tài)。”UMD的科學(xué)家表示，這種研究策略可以應(yīng)用于其他高能轉(zhuǎn)換材料，未來的研究可能使用該方法來改進(jìn)其他電池系統(tǒng)。

近年來，隨著鋰電技術(shù)的不斷進(jìn)步與實(shí)際成本逐漸下降，鋰電池在電動工具領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，現(xiàn)階段各大巨頭廠商提出電動工具無繩化的想法后，使得鋰電池在電動工具領(lǐng)域有著廣闊的前景空間。

與此同時，人工智能的興起，鋰電家居產(chǎn)品、園林工具等新興智能工具類產(chǎn)品得到了迅速發(fā)展的機(jī)會，鋰電池的應(yīng)用并不再局限于單個領(lǐng)域。其中根據(jù)業(yè)內(nèi)人士稱，鋰電類電動工具、園林工具未來市場趨勢正如清晨的朝陽。電動工具鋰電化除了市場的推動與自身潛力外，還得到了國家地區(qū)政策的支持。例如歐盟早已禁止無線電動工具使用鎳鉻電池，鋰電電動工具的普及率與替換率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于國內(nèi)市場;中國則是重新制定了電動工具鋰電池使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

鋰電化無繩化意味著電動工具將會朝著更小體積、更輕重量、更低噪聲等方向發(fā)展，然而仍不可避免“副作用”的出現(xiàn)，那就是鋰電池中的鋰離子熱失控。鋰離子的工作溫度范圍是在+15～+45攝氏度之間，如果溫度超出臨界水平，則會導(dǎo)致電池單元功能安全、使用壽命縮短、不穩(wěn)定性以及可能發(fā)生的熱失控。
鋰電池的過充電嚴(yán)重時會引起爆炸
那么鋰電池中鋰離子是如何發(fā)生熱失控的呢?如果工具發(fā)生強(qiáng)烈的碰撞或高處跌落，電池有可能發(fā)生變形;材料則會滲透到電池里，引起內(nèi)部短路或外部短路的現(xiàn)象;再者過度充電或快速充電時電流過大，極其有可能會永久損壞電池。
鋰電池的過放電，會對鋰電池的壽命影響非常大
熱失控發(fā)生后就猶如多米諾骨牌效應(yīng)一樣，電池中儲存的能量會突然釋放，從而產(chǎn)生火災(zāi)。另外電池?cái)?shù)量越多、能量密度越高、充放電功率越大，就意味著發(fā)生起火故障的概率就越高。

為了確保把熱失控的風(fēng)險降到最低，伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校研究人員發(fā)布了一份研究報(bào)告，報(bào)告中表明，石墨烯材料可以從鋰離子電池著火時吸走氧氣，可以防止陰極釋放的氧氣與電池內(nèi)其他易燃品相結(jié)合，從而降低起火風(fēng)險，減少事故損失。