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纳米技术在电动车电池材料中的应用

纳米技术在电动车电池材料中的应用

细胞是充电时,在正电极和负电极之间获得成化学能存储,在必要时,转化学能转化为电能的电能中的电化学能量储存装置被释放。理想的电池应该具有高能量,高功率密度,循环寿命长,稳定性好,价格低。自1991年以来,锂离子电池开发非常有吸引力的,因为它们非常优异的性能:循环寿命长,能量密度高,高功率密度,并且没有记忆效应。其他电池,如锂O2,锂 – 硫电池和里-小号E,化学键基于由于其能量密度高,最近研究人员也很关心。许多先进的电池技术的发展不能分离纳米寻找新的材料,在本研究中,锂离子电池的阳极材料的纳米复合材料最普遍使用,通过选择纳米尺寸以优化离子和电子通路的涂层的厚度,防止不可逆反应。

电池材料

2016年12月6日,美国阿贡国家实验室拉里。北京大学潘教授冯新材料(合着),并在自然纳米技术等出版审查的柯蒂斯,哈利勒胺和深圳研究生院,推出了基于锂离子电池材料的最新应用纳米技术在高能量和高功率电车辆的进步,其中感兴趣的材料已经被商业化或接近材料的商业化。摘要首先回顾在纳米技术锂离子电池正极材料的制备关键作用; 随后概括除锂离子电池以外的其它电池系统,其包括锂 – 硫电池和Li-O2,这些作者认为新电池系统能够满足电动汽车的高能量需求有很大的潜力。

摘要概述地图

一种锂离子电池正极材料

由于锂离子电池为从正极材料中的便携式电子设备市场的主导地位为LiCoO 2,但是,因为它是昂贵的和不稳定的在高电压状态下,该材料已经在排除的范围之外电动车辆中使用的。在本节中,我们集中讨论如何促进纳米其它阴极材料,包括橄榄石,掺杂的尖晶石型锂锰氧化物和富镍材料,过渡金属的发展。

1。1提高LiFePO 4的传输性能

选择的第一纳米结构成功LiFePO4正极材料作为汽车应用中,尽管这是比钴酸锂的橄榄石的能量密度较低,但它显示出优异的功率密度,寿命更长,更安全; 在充放电循环中,由于LixFePO4 / LiyFePO4(0

LiFePO4的结构:图1

1.2抑制锰的锰酸锂中的溶解

在商用车辆的阴极材料掺杂尖晶石型锰酸锂,其充电和放电期间渗滤三维网状结构的另一种成功的应用提供了一种用于锂离子的去除和插入有效的机制。一个问题是在低电荷状态而形成的LiMn2O4锰尖晶石结构发生[MnO6]八面体的Jahn-Teller失真,为了改善这个问题,一些锰的低价元素替代,例如锂,铝等的。。另一个问题是,溶解在非水电解质中的锰离子,然后沉积在石墨电极的表面上,从而导致电池的降低的电化学性能。为10-20nm厚使用各种涂层的氧化物或硫化物纳米涂覆电极可以很好的保护材料不溶解的LiMn2O4。

1。3抑制的LiNi1-X-yMnxCoyO2化学反应

不同于LLiMn2O4 LLiCoO2材料和材料,发挥约200毫安G-1和优异的容量保持率的可逆容量富镍的的LiNi1-X-yMnxCoyO2电极材料。下图三个比较:

不同的正极材料能量的比较:2

电极与在可逆容量的显著降低,内部电阻增加,富镍的非水电解液之间的反应导致,降低了安全性。由于这个原因,研究人员认为富含各种解决方案,以防止镍电极和非水电解质,如氧化物,硫化物,磷酸盐纳米涂层是由正电极材料和水之间的非物理地分离制备的反应电解质可以是所述电池的良好循环寿命。纳米涂层的电化学活性表面积曝光可以减小,从而提高了循环寿命。

图3:正极材料的示意图不是由反应与非水电解液的方法保护的

锂离子电池的阳极材料

锂离子电池的阳极材料被分为三类:1)嵌入/脱嵌的材料包括石墨和二氧化钛; 2)非合金和包含Si-Sn合金的合金材料; 3)转换材料,包括金属氧化物,金属硫化物,金属氟化物和金属磷化物。

2.1个石墨保护

石墨层之间发生可逆反应,锂离子的反应可以嵌入LiC6形成,可达到理论容量372mAh G-1,最满足电子装置的要求。然而,仍然有限制石墨电极,例如,虽然以往的有机电解质溶液提供良好的锂离子传导性,但将锂化的石墨和不可逆的反应,这些副反应会导致石墨片和电解液剥离还原分解。来解决这个问题,正在扩大的固体电解质界面膜作为表面保护层纳米的层的一种方法中,固体电解质界面膜不仅可以保护石墨电极不分解电解质可有效地钝化负极的表面。

2。2使用钛酸锂和氧化钛来改善功率

钛酸锂尖晶石结构材料(钛酸锂,LTO)可以被用作一个替代的负极材料,因为它具有非常好的安全性,使用了由锂离子的占据在钛酸锂八面体晶格空位,它除了位移入到主体材料结构不会带来任何应力,因此具有最小的变形; 此外,它具有较高的电化学势; 更重要的是,相比于石墨电极,该钛酸锂循环不可逆反应罕见,因而更安全和稳定的。

图4:钛酸锂 – 碳纳米复合作为锂离子电池阳极

2。3硅纳米复合物的增加的能量密度

硅是一种良好的负极材料,因为高达3572毫安G-1,和比石墨更高,钛酸锂的其理论容量。元素硅和锂离子通过合金化/去合金化反应机理,以形成锂-Si合金。然而,细胞周期,硅的300%以上的体积膨胀,这导致在反复膨胀和电极结构的收缩,最终将导致不可逆容量迅速衰减。典型地,该性能比硅纳米颗粒和薄膜的微粒更好,因为它们具有较好的机械性能拉伸。因此,存在对在锂离子电池的硅纳米结构的应用程序的许多报告。

图5:石榴的Si-C纳米复合材料阴极的结构作为锂离子电池

2.4其他的阳极材料

有一个锂离子电池的阳极材料的研究候选,例如,低维碳(石墨烯,碳纳米管,硬碳),金属氧化物(SNO,四氧化三钴和Sb2O3的),金属氮化物(LiMoN2),金属硫化物(FES, NiS2,二硫化钼),各种纳米技术,因为在锂离子电池更好的电化学性能已被使用的电极材料。

除锂离子3的其它技术

虽然锂离子电池经过多年的发展已经具备了优秀的性能,但仍有在产能增长方面受到限制,因此,研究人员试图研究锂离子以外的方向。电化学蓄电池转换是基于一个化学键,例如Li-S栗-O,并且可以实现高能量密度,并且因为它含有足够的氧和硫,可通过便宜的电极材料技术来制备。而在这两个,李-S有更大的发展空间。

3.1李-S

的锂 – 硫电池的理论比容量可以达到800毫安G-1,锂 – 硫电池包括三个部分:一个锂电极,有机电解质和正极复合硫。的主要问题是所引起的反应所引起的高电阻,和形态,和溶解聚硫正极钝化改变导致产品的低循环锂硫电池和硫化锂的硫的稳定。虽然研究人员准备了各种复合纳米材料来解决的锂 – 硫电池组的问题,但锂硫电池在电动车使用尚未商业化。

3.2李-O2

相比锂硫电池,更早的主要问题是在可再充电锂电池,发现具有高的氧势,短的循环寿命和稳定性差的电解质。非水锂电池氧气由三个部分组成:锂阳极,碳阴极和有机电解质,高达3623瓦时的理论能量密度KG-1。在锂 – 氧电池的发展,纳米结构化材料具有重要的应用中,通常由正纳米多孔碳,氧运输到细胞中。存在氧还原催化剂和氧生成过程是很重要的,在最近的报告中,金属和金属氧化物纳米颗粒具有非常好的催化性能。

4展望

锂离子电池的发展将继续依靠创新的纳米技术。纳米材料的合理设计,预计在高能量密度锂离子电池,最终遥控电动汽车的发展起着至关重要的作用。

目前的挑战是确保电极材料颗粒尺寸减小已经产生,例如LiFePO 4和钛酸锂的,从而导致锂离子和电子的改进的传输特性。负电极材料的工作电压基于挑战合金SI-或氧化物通常是比当前非水电解质热力学势窗,是找到可以显著降低法拉第电极材料之间的反应速率的方法。这可以通过减少直接暴露于非水电解液的电化学活性表面积。特别新颖的纳米结构可容纳充电期间大的体积变化和放电或纳米包覆层可以解决固体电解质界面膜的稳定性,这是在电动汽车应用中重要的问题。

李-S技术锂O2,和锂金属作为负极材料需要,因此,需要一个稳定的锂/电解质界面,以减少锂和电解液之间的反应,并防止锂枝晶的形成。在正极而言,为了提高传输效率和循环寿命,有必要不良导电材料如Li2S,Li2O2等。有效地限制了纳米多孔材料。

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