锂离子电池正极涂层孔隙结构优化的数值模拟

以磷酸铁锂(LFP)为正极材料的锂离子电池在电子产品、电动汽车等领域应用广泛,但其能量密度仍有待提升以进一步满足不同场景应用需求。锂离子在正极孔隙电解液中的扩散过程是LFP锂离子电池性能的控制因素之一,通过优化电极孔隙结构可以在一定程度上减小锂离子在电解质中的扩散阻力进而提升能量密度。采用准二维模型描述电池内部的传质电化学过程,考察了当锂离子电池正极孔隙存在梯度分布后对锂离子电池能量密度的影响及作用机理。通过对比孔隙率均匀分布和梯度分布的电池模拟结果,发现孔隙率的梯度分布能提高单位活性材料的利用率,提升电解质通量和电极活性材料的嵌锂量,从而增加电池能量密度。随着电极厚度的增加,孔隙率分布的梯度越大,对能量密度的提升效果越显著,研究结果对于厚电极涂层的制备工艺具有重要意义。     

LiFePO4锂离子电池的数值模拟：正极材料颗粒粒径的影响

LiFePO₄（LFP）作为正极材料时,锂离子电池安全性高且循环寿命长,是目前应用最广泛的正极材料,但其电池倍率性能较差。提升倍率性能的有效手段之一是将LFP材料颗粒纳米化,但材料纳米化过程中颗粒粒径减小对于锂离子电池充放电过程中锂在固液相的扩散及表面电化学反应的影响机制仍缺乏清晰的认识。采用锂离子电池的准二维模型,模拟锂离子电池的放电过程,定量研究了正极材料颗粒粒径对锂离子电池倍率性能的影响,分析了固液相扩散速率与电化学反应速率受LFP材料颗粒粒径的影响程度。研究结果表明：电极材料中固相扩散阻力是锂离子电池电化学性能的主要限制因素。小粒径的LFP作为正极材料时,电极材料内的金属锂的迁移路径较短,同时颗粒与电解液的接触面积增加,界面的电化学反应速率较快,放电倍率对于锂离子电池性能影响较小;大粒径的LFP作为正极材料时,电极材料内的金属锂扩散路径的增加和较高的固相扩散阻力限制了界面的电化学反应速率,导致锂离子电池的倍率性能显著降低。LFP材料的纳米化可以有效减小固相扩散阻力,提升锂离子电池的倍率性能。     

锂离子电池电极颗粒分布对电化学性能影响的分析

活性材料颗粒尺寸分布是锂离子电池电极的重要参数之一,对电池的电化学性能具有重要影响。基于多颗粒模型,本文对锂离子电池的电化学性能进行模拟和预测,分析了粒径分布对放电过程的影响,阐明了不同尺寸颗粒在整个放电过程中的作用以及不同尺寸颗粒间的相互作用。研究表明:在放电前期,锂离子的嵌入反应主要发生在小尺寸颗粒上;在放电后期,小尺寸颗粒嵌入的锂离子已接近饱和,电化学反应将在不同尺寸颗粒表面间转移,锂离子的嵌入反应主要发生在大尺寸颗粒上。因此,在电池制造中,均匀的电极活性材料粒度分布将有助于避免放电后期电极颗粒不均匀所引起的极化现象。     

锂离子电池正极材料的研究进展

锂离子电池因其能量密度大、比容量高、使用寿命长等优点,已成为广泛应用的储电设备。随着新能源汽车市场的强劲发展,要求作为动力电池的锂离子电池性能进一步提升,而正极材料是锂离子电池最为重要的组成部分,开发研究性能更好、比容量更高的正极材料是进一步提高锂离子电池能量密度的关键,目前,研究的锂离子电池正极材料主要有锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物及锂铁化合物等。本文对主要的锂离子正极材料研究应用现状进行了探讨分析,对其发展趋势进行了预测,可为锂离子电池的深入研究提供一定的参考借鉴。     

磷酸铁锂正极材料与电解液的相容性研究

在锂离子电池使用过程中磷酸铁锂正极材料会与电解液发生许多副反应,导致铁的溶解,造成正极材料与电解液相容性差。为了研究磷酸铁锂正极材料与电解液的相容性及其对电池搁置性能的影响,先利用电感耦合等离子发射光谱对不同磷酸铁锂正极材料在不同电解液中的溶铁量进行了表征,后又对制备的电池进行了常温及高温搁置性能测试。结果表明：磷酸铁锂正极材料对电解液具有选择性,并且正极材料在电解液中的溶铁量越大,其相容性越差,对锂离子电池性能影响越大。     

锂离子电池硅基阳极预锂化研究进展

硅基阳极材料具有超高的理论比容量，是替代石墨类材料、提高锂离子电池能量密度的有效途径。但与石墨类材料相比，硅基阳极材料在首次嵌锂过程中，会大量消耗来自正极的锂离子，造成活性锂损失，形成较大的初始不可逆容量，影响材料的首次库伦效率，严重降低了锂离子电池的能量密度。预锂化技术，通过使电极材料接触额外的锂源，可以补偿锂离子电池在首次循环过程中造成的活性锂损失，是目前提高锂离子电池首次库伦效率的最有效手段，可使锂离子电池获得更高的能量密度和更好的循环性能。对当前主要的预锂化手段进行了概述，总结了各种预锂化技术的优缺点，并提出预锂化技术未来面临的挑战，为预锂化策略的实际性应用提供方向。     

磷酸铁锂锂离子电池正极材料的研究

锂离子电池是绿色高能可充电池，具有工作电压高、比能量大、自放电小、循环寿命长、无记忆效应、无环境污染等突出优点。本文从磷酸铁锂的结构与性能、材料的制备方法、改性、粒径控制等几方面综述了近年来对橄榄石型磷酸铁锂（LiFePO4）锂离子电池正极材料的研究进展。材料的粒度大小及其分布、离子和电子的传导能力对产品的电化学性能影响很大。在制备时，采用惰性气氛、掺杂导电材料和控制晶粒生长制备粉体是获得性能优良的LiFePO4的有效方法。     

超级电容器的能量限制与提升措施

介绍了超级电容器是一种新型的绿色能量存储装置,具有高功率、良好循环寿命和工作温度范围广等优点,但是其能量密度较低,甚至达不到新型锂离子电池能量密度的十分之一,成为了限制超级电容器应用的主要问题。文章指出传统超级电容器能量密度限制因素包括:仅电极表面活性物质参与反应,电极电势充放电过程中会不断变化,以及充电过程中电解液离子的消耗等。减少电解液中离子的消耗与提升电极容量成为了解决能量密度较低的有效措施,目前研究的重点包括采用混合型结构、锂离子型结构的超级电容器等。文章指出锂离子电容器结合了传统双电层电容器和锂离子电池的优势,在保持高功率密度的同时提升了能量密度,是一种极具发展前景的混动和纯电动汽车电源。由于预嵌锂的负极也可作为锂的来源,因而锂离子电池可以选择更多的正极材料,从而开启了锂离子电池研究的新大门。     

河南工业大学研制成功高性能锂离子电池复合材料

<正>河南工业大学教授曹晓雨团队首次制备出一种新型复合正极材料,能够提高可充锂电池正极材料钒酸锂的电化学性质。相关研究在线发表于美国化学会的《应用材料和界面》杂志。锂离子电池因其高能量密度被认为是最具有前景的储能方式之一,已经在电动汽车领域展开了商业化应用,继续提高锂离子电池的能量密度依然是研究者的不懈追求。目前,锂离子电池的容量主要由正极材料的容量决定,寻找具有高放电容量和稳定性的正极材料是提升锂离子电池能量密度的关键。能够进行多电子输运的     

硒掺杂改性新能源汽车锂电池正极材料的结构与电化学性能

为了开发出具有能量密度大、循环性能优越等特性的高能量密度电池材料,研究了硒掺杂量对富锂锰基正极材料显微组织和电化学性能的影响。结果表明,硒掺杂量增加有助于减小正极材料中颗粒粒径,但是硒掺杂量过高（x=0.21）会出现严重颗粒团聚现象,锂电池正极材料中适宜的硒掺杂量为x=0.14,此时正极材料可以获得粒径细小、均匀的颗粒;x=0.14的正极材料由于具有最佳的抑制氧损失的作用而具有最高的库伦效率（77.1%）;当倍率为0.1C~10C时,正极材料的放电比容量会随着硒含量升高而先增大后减小,在x=0.14时取得最大值,即x=0.14的正极材料的倍率性能最优;x=0.14的正极材料的循环性能明显高于x=0的正极材料。     

中间相炭微球在锂离子电池负极材料的应用进展

中间相炭微球(MCMB)具有良好锂离子扩散性、导电性和机械稳定性等优势,是目前应用广泛、综合性能优异的锂离子电池负极材料,但较低理论比容量是制约其发展的关键因素。为了获得性能优良的MCMB基锂离子电池负极材料,改性修饰和复合材料已然成为目前研发重点。笔者论述了碳结构、表界面和复合材料等微观结构设计对MCMB负极材料电化学性能的影响。从碳堆积结构类型、有序性、层间距以及球体粒径大小等方面,论述了碳结构微观设计对MCMB电化学性能的影响。发现具有乱层结构的MCMB在充放电过程中内部产生应力较小,且碳结构较稳定,具有优异循环稳定性;内部具有大量微孔或碳层间距较大的MCMB,在充放电过程中可提高锂离子在电极中的迁移速率,并提供更多的储锂空间,一般具有优良的充放电比容量和倍率性能;小粒径MCMB具有较短的锂离子迁移路径和随之增加的比表面积,通常具有较好倍率性能,伴随着可逆比容量和充放电效率的衰减。从表界面碳层改性、包覆和掺杂改性等方面,论述了表界面改性对MCMB电化学性能的影响。表面碳层修饰可增加MCMB与电解液的相容性及其比表面积,提高了与电解液的接触面积及贮锂容量,改善了锂离子电池负极材料的电化学性能;另外,MCMB表面包覆一层无定型碳,可避免其表面与电解液直接接触,减少电化学副反应的产生,提升其可逆比容量。从碳活性物质复合材料、非碳活性物质复合材料等方面,论述了复合材料微观结构设计对MCMB电化学性能的影响。碳活性物质可降低MCMB内部碳层结构的有序性,减少锂离子嵌入过程中的内部应力,提升MCMB循环稳定性。非碳活性物质诱导MCMB生成更加有序的碳层结构,提高MCMB的比表面积,从而改善MCMB表面与电解液分子的接触能力及其嵌锂性能,有利于提升MCMB负极材料可逆比容量、循环性能和倍率性能。MCMB具有高碳层间距和多缺陷位点等结构特征,有利于钠离子自由脱嵌,应用于钠离子电池时具有良好的可逆比容量、循环稳定性和倍率性能。MCMB的不规则定向层状结构经活化等处理具有较高比表面积,可应用于超级电容器电极材料。最后提出在高性能锂离子电池电极材料快速发展的需求下,从微观结构角度设计MCMB纳米复合材料将是MCMB负极材料的研究重点。     

锂离子电池大电流放电性能研究进展

研究了锂离子电池大电流放电性能。讨论了最新的材料研究进展,分析了锂离子在活性材料中的扩散性能、电极材料粒度分布及粒径大小、比表面积等因素对锂离子电池大电流放电性能的影响。研究了SEI膜及电解液电导率等对锂离子电池大电流放电性能的控制作用。并针对大电流放电锂离子电池提出了电极及电池设计研究方向。     

锂离子电容器碳正极材料的研究进展

锂离子电容器是一种采用电容型正极材料、电池型负极材料进行组装的储能器件,结合了锂离子电池与超级电容器两者的优点,兼具高能量密度、高功率密度和长循环寿命。但是由于锂离子电容器还存在正负极动力学过程以及容量不匹配的问题,大大影响了锂离子电容器的电化学性能。通常锂离子电容器的功率密度取决于负极材料,而能量密度取决于正极材料,因此为提高锂离子电容器的能量密度,还需发展具有高比容量和高导电性的正极材料。目前,碳材料因具有低成本、来源广泛、高比表面积和丰富的孔道结构等特点,是一种极具应用潜力的电极材料。综述并分析了各种碳材料(包括活性炭、模板炭、石墨烯和生物炭等)作为锂离子电容器正极材料的电化学性能与优缺点,最后对锂离子电容器正极材料的研究提出了建议与展望。     

锂离子电池正极材料的现状与发展

介绍了锂离子正极材料氧化钴锂、氧化镍锂、氧化锰锂、磷酸铁锂等研究开发和现状,对其特性进行了较为全面的总结。     

Analysis of capacity–rate data for lithium batteries using simplified models of the discharge process

Simplified models based on porous electrode theory are used to describe the discharge of rechargeable lithium batteries and derive analytic expressions for the specific capacity against discharge rate in terms of the relevant system parameters. The resulting theoretical expressions are useful for design and optimization purposes and can also be used as a tool for the identification of system limitations from experimental data. Three major cases are considered that are expected to hold for different classes of systems being developed in the lithium battery industry. The first example is a cell with solution phase diffusion limitations for the two extreme cases of a uniform and a completely nonuniform reaction rate distribution in the porous electrode. Next, a discharge dominated by solid phase diffusion limitations inside the insertion electrode particles is analysed. Last, we consider an ohmically-limited cell with no concentration gradients and having an insertion reaction whose open-circuit potential depends linearly on state of charge. The results are applied to a cell of the form Li|solid polymer electrolyte|LiyMn2O4 in order to illustrate their utility.     

富镍锂离子电池三元材料NCM的研究进展

锂离子电池作为新能源电池符合时代要求,具有良好的应用前景。电池容量、倍率性能与循环性能是电池性能的重要评价指标,在选取高能量密度电极材料的同时要充分考虑电池结构稳定性及其安全性能,三元材料基于这种思路进行设计。目前,针对电池中锂离子导通率与结构不可逆坍塌问题,通过包覆涂层、离子掺杂等手段改善锂离子电池性能已经常态化,实际需求要求有更有效的改性方法。因此,本文综述了富镍锂离子电池三元材料LiNi_0.4Co_0.2Mn_0.4O₂（NCM424）、LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂(NCM523)、LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂(NCM622)和LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂(NCM811)的研究现状与发展导向,认为简单的单一材料改性已遇到瓶颈,改性方法复合、设计材料多元结构是提升电池性能的一大发展方向;从改性材料的合成和运行路径入手,研究分子水平上的作用机制,建立统一理论模型,通过计算模拟手段设计电极结构,实现锂离子电池突破性的发展。     

隔膜中残油量对锂电池性能的影响

锂离子电池隔膜在锂离子电池中主要起隔绝正负极防止短路和允许锂离子导通的作用[1],因此,锂离子电池隔膜品质的优劣直接影响到锂离子电池的应用性能。在锂电池隔膜制备的过程中,以石蜡油作为造孔剂,用热致相分离法制备聚乙烯微孔膜,石蜡油的残留不可避免。本文研究了隔膜中石蜡油的残留量对电池自放电、倍率放电、高温存储、循环性能等应用性能的影响。研究结果表明,残油量越低锂电池的应用性能越优。     

Small quantities of cobalt deposited on tin oxide as anode material to improve performance of lithium-ion batteries

In this report, we present a hybrid structure involving a small quantity of Co element uniformly deposited on porous SnO(2) spheres as stable and high capacity anode materials for lithium-ion batteries. Specifically, Co element deposited on SnO(2) nanomaterials exhibited an exceptional reversible capacity of 810 mA h g(-1) after 50 cycles which is higher than the pure SnO(2) electrode. Based on the experiments results, a possible mechanism for the change of this structure during lithium ion insertion/extraction was proposed. The minute quantity of Co element uniformly deposited on SnO(2) spherical structure could prevent Sn aggregation during charging-discharging, and high porosity of the spherical structure allowed the volume expansion during lithium ion alloying/dealloying. The SnO(2) deposited with small quantities of Co element as electrode facilitated improved performance of lithium ion batteries with higher energy densities.