專題
[摘要]鋰離子電池花幾十年的時(shí)間才得以完善，直到幾十年后，我們才認(rèn)識(shí)到它們的全部潛力。
鋰離子電池花幾十年的時(shí)間才得以完善，直到幾十年后，我們才認(rèn)識(shí)到它們的全部潛力。如今，鋰離子電池為世界各地的手機(jī)、筆記本電腦、醫(yī)療器械和電動(dòng)汽車提供動(dòng)力。鋰離子電池也支持可再生能源，因?yàn)樗鼈兛梢詢?chǔ)存來自風(fēng)能和太陽能等間歇性能源的能量。在整個(gè)開發(fā)過程中，鋰離子電池向科學(xué)家們提出了挑戰(zhàn)，要求最大限度地提高電池性能，同時(shí)降低不良反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)今的電池科學(xué)家必須在以往成果的基礎(chǔ)上再接再厲，同時(shí)改進(jìn)電池特性，推動(dòng)領(lǐng)先應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)步。
鋰離子電池簡(jiǎn)史
由于鋰離子電池技術(shù)的重要性，2019 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予科學(xué)家 John B. Goodenough、M. Stanley Whittingham 和 Akira Yoshino，以表彰他們?cè)阡囯x子電池開發(fā)領(lǐng)域作出的貢獻(xiàn)。每位科學(xué)家都對(duì)先進(jìn)鋰離子電池的發(fā)現(xiàn)做出了巨大貢獻(xiàn)，直到它們成為我們現(xiàn)今所知道的廣泛使用的形式。他們從鋰元素（原子序數(shù)為 3）開始，鋰元素有一個(gè)未配對(duì)的電子，它往往會(huì)失去并變成帶正電的離子。這種失去電子的傾向?yàn)殡姵貞?yīng)用提供巨大的潛力，并使電能通過電芯從陽極流向陰極。鋰離子的高能量密度也是手機(jī)和筆記本電腦等小型便攜設(shè)備的理想選擇。最后，鋰離子在充電過程中很容易向負(fù)極移動(dòng)，利于充電。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主成功地利用了鋰離子的優(yōu)勢(shì)，并率先提出了在控制材料揮發(fā)性的同時(shí)利用本身能量的解決方案。
Wittingam 在 20世紀(jì)70年代中期發(fā)現(xiàn)了二硫化鈦可作為電池正極，并首次完成現(xiàn)代鋰離子電池的雛形。Wittingham 的電池提供令人印象深刻的 2 伏電壓，但很容易自發(fā)起火。在 20世紀(jì)80年代，Goodenough 用鈷酸鋰代替二硫化鈦，電池的容量因此提升到 4 伏，但易燃性問題仍然存在。80 年代后期，Yoshino 用石油焦代替鋰金屬負(fù)極，在保持高電壓的同時(shí)使電池更安全。
他們發(fā)現(xiàn)的鋰離子電池重量輕、可再充電，而且電力強(qiáng)大。他們的電池使移動(dòng)電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車和自行車的實(shí)現(xiàn)成為可能。當(dāng)然，正如諾貝爾委員會(huì)成員所說，科學(xué)進(jìn)步永遠(yuǎn)不會(huì)結(jié)束。研究人員將繼續(xù)改進(jìn)鋰離子電池技術(shù)，其他電池技術(shù)可能很快就會(huì)加入鋰離子電池的行列，實(shí)現(xiàn)可再充電、可再生能源的轉(zhuǎn)變。
鋰離子電池的新需求
現(xiàn)今的電池開發(fā)人員仍然像上面提到的三位鋰離子電池發(fā)明者一樣，肩負(fù)著平衡安全性和功率的任務(wù)。然而，由于我們使用電池的方式，其他因素已成為焦點(diǎn)。
消費(fèi)電子產(chǎn)品制造商最關(guān)心的是鋰離子電池的能量密度，或者說鋰離子電池能夠以輕量形式儲(chǔ)存多少能量。手機(jī)和筆記本電腦制造商一直在尋找可以容納更多電量的電池升級(jí)，同時(shí)繼續(xù)制造輕巧的可攜式產(chǎn)品。他們也強(qiáng)調(diào)電池續(xù)航時(shí)間，這樣消費(fèi)者一次充電就可以使用更長(zhǎng)的時(shí)間。
電動(dòng)汽車最注重續(xù)航時(shí)間—如果電動(dòng)汽車的充電頻率高于燃料汽車所需的汽油，電動(dòng)汽車對(duì)消費(fèi)者來說就不是一項(xiàng)有吸引力的投資。此外，電動(dòng)巴士、貨運(yùn)卡車和航空需要更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。電力運(yùn)輸還需要強(qiáng)大的循環(huán)壽命，這樣他們的鋰離子電池可以在性能退化和容量衰減之前充電數(shù)千次。
鋰離子電池愈來愈廣泛用于綠色能源儲(chǔ)存應(yīng)用。在這種容量下，鋰離子電池需要具有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命才能最大限度地發(fā)揮影響。這些電池不需要是便攜式，它們將保持在發(fā)電設(shè)備附近，而且這些電池將經(jīng)常通過風(fēng)能和太陽能充電，不需要很長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間，因?yàn)樵谒袘?yīng)用領(lǐng)域，鋰離子電池都需要確保安全無虞。無論是在倉(cāng)庫(kù)中儲(chǔ)存風(fēng)力渦輪機(jī)的能量，還是為您的電動(dòng)汽車提供動(dòng)力，鋰離子電池都不會(huì)由于高易燃性而危及我們的環(huán)境或使用者。
優(yōu)化創(chuàng)新鋰離子電池設(shè)計(jì)
鋰離子電池科學(xué)家不再簡(jiǎn)單地重復(fù)過去的成功，需要滿足愈來愈多的需求，。新電池需要超越以前的能力，同時(shí)提高效能和安全性。
鋰離子電池安全的最大威脅是熱量。電池組件過熱，無論是環(huán)境溫度過高還是內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)引起，都可能導(dǎo)致熱失控反應(yīng)并導(dǎo)致災(zāi)難性故障或燃燒。因此，電池研究人員轉(zhuǎn)向通過熱分析測(cè)量電池在很寬的溫度范圍內(nèi)的性能。熱分析數(shù)據(jù)支撐材料選擇、設(shè)計(jì)或添加劑修改，以實(shí)現(xiàn)最安全的配置。
其他流行的鋰離子電池材料分析儀器包括流變儀和微量熱儀。流變學(xué)是對(duì)材料流動(dòng)和變形的研究。流變儀可幫助科學(xué)家制造出具有理想黏度的漿料和電極涂層，以實(shí)現(xiàn)最佳儲(chǔ)存、混合、涂層和干燥。微量熱法可測(cè)量電化學(xué)或物理化學(xué)過程中產(chǎn)生的最小熱量。微量熱儀可幫助電池開發(fā)人員優(yōu)化熱管理、結(jié)構(gòu)演變、以及熱量與寄生反應(yīng)的隔離。
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