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未來鋰離子電池的發展將如何

鉅大LARGE  |  點擊量:832次  |  2020年10月16日  

鋰離子電池


由于鋰具備高能量密度和高電化學電位,因而使鋰離子電池(LIB)成為世界上最受歡迎的選擇之一。自20世紀70年代進行開發以來,LIB已經實現了重大的技術創新,索尼公司于1991年推出了第一款可充電式電池。


充電電池依賴于電化學反應,通過電解質中的離子和電子在陽、陰兩個電極間的運動,化學能被轉化為電能,反之亦然。


未來鋰離子電池的發展將是怎么樣的


圖1:鋰離子電池工作原理示意圖


(圖注:Charge充電Discharge放電Electrolyte電極Separator隔膜)


在LIB的第一個充電循環中,當鋰離子穿過電解質流向陽極時,其中一些會與電解質的降解產物發生反應,在陽極上形成不溶性沉積物。這些沉積物形成固體電解質相間(SEI),防止陽極材料分解,對電池的長期運行至關重要。可傳導離子而對電子絕緣的穩定SEI的形成決定了許多性能參數,因此對LIB的研究極具吸引力。


利用NMR研究LIB


NMR技術可以用來研究多種電池體系的詳細結構信息(包括電子結構),例如識別中間產物,研究電池材料的動力學特性等等。NMR尤其適合于研究電池材料的重要組成部分堿金屬離子的動力學特性。即使在高度無序的體系中也可利用固體NMR來表征LIB材料的局部結構,闡明材料中各種化學物質的信號變換。鋰具有兩種NMR活性同位素(6Li和7Li),因而可以直接研究鋰的動力學特性并對鋰離子運動進行定量分析。


NMR技術的發展有助于提高對SEI的認識,使研究人員能從多個方面對SEI膜進行分離和定量鑒定。例如,利用7Li和19F魔角旋轉(MAS)NMR技術,可以識別并定量研究再充電LIB陽極與電解質之間的SEI膜中氟化鋰(LiF)的變化。1NMR方法也可以對枝晶生長進行監測并做定量分析。循環充放電過程中Li譜峰強度的變化與枝晶組織的生長與金屬的平滑沉積有關。研究發現,通過原位NMR可以確定,在Li/LiCoO2電池緩慢充電過程中沉積的鋰,高達90%是枝狀的。2NMR可用于系統地測試電解質添加劑、先進隔膜、電池壓力、溫度和電化學循環條件等抑制枝晶生長的方法。3再加上對SEI和新型電池材料的原位定量監測,使NMR為創新LIB的設計發揮了關鍵的推動用途。


EPR是一種互補性技術?


測量電池運行過程中枝晶的形成頗具挑戰,但關于替代性LIB設計和材料的持續研究則是必要的。除NMR之外,EPR波譜也非常適合于原位研究金屬鋰物種的演化。EPR波譜法也被用于對采用金屬鋰陽極和LiCoO2陰極的LIB中的沉積鋰金屬進行半定量檢測。


EPR成像技術正被用來研究新電池中自由基氧物質的形成和消失與電流、電位、靜息時間、電解質或溫度之間的函數關系。


利用MRI獲取空間信息


除了光譜學之外,MRI也是一種功能強大的非侵入性技術,可以供應LIB的電解質和電極中所發生變化的時間分辨和定量信息。與NMR類似,MRI能夠檢測并定位鋰的微觀結構,還具有供應空間信息的獨特優勢,從而能定位特定的結構變化。MRI技術在研究新型電池材料和電池設計方面的優勢越來越得到認可。其它應用還包括LIB容量衰減研究、大量循環后的電池檢測、高應力和加速老化試驗。


全固態電池


有關LIB研究的一個最前沿的方向就是從液體電解質到固體電解質的轉變。考慮到LIB中發生短路的可能性,液體電解質的易燃性意味著一種安全隱患。多年來,研究人員一直在研究固態電解質來替代液態電解質的使用,這不僅可以提高安全性,還可以為鋰金屬陽極供應抗枝晶形成的潛力,從而提升能量密度。盡管全固態電池并非一個新概念,但由于其倍率性能和循環性能不佳(可能是由于固體-固體電極-電解質界面上鋰離子轉移的高內阻),迄今為止其進展一直受到阻礙[4]。5因此,研究界面反應和電荷傳輸對發揮這些電池的潛力至關重要,而NMR正是這方面的理想選擇。


NMR也有助于表征潛在的固體電解質材料,如依賴于離子傳輸的陶瓷。NMR結合電導率測量可用于分析離子動力學特性,并有助于闡明局部結構與動力學參數之間的關系。


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