锂离子电池热失控及其预警方法

相较于传统储能器件,锂离子电池具备高能量密度、长循环寿命、无记忆效应等优点,已被广泛应用于便携电子设备、电动汽车以及大规模储能等领域中.然而,随着锂离子电池能量密度的不断提升,其安全性受到极大挑战,电池安全事故频发.热失控是导致电池安全性不佳的主要诱因,其受到滥用情况、电池初始状态、工作条件以及电池结构设计的影响,无法完全避免.了解锂离子电池热失控的内在机制和外部特征,对电池热失控进行检测和早期预警,避免热失控引发的灾难性安全事故发生,可显著提升电池安全性.本文系统介绍了锂离子电池热失控的主要诱因(包括电滥用、热滥用、机械滥用等)、热失控发生的过程及早期预警信号和方法(包括电池电压/电阻、温度、压力、气体、声音、烟雾、火焰等).最后,对未来锂离子电池热失控预警的高精度、宽应用范围的发展趋势进行分析和展望.     

功能添加剂和保形包覆改性锂金属负极界面

金属锂负极因其超高的理论比容量和极低的氧化还原电势成为下一代可充电池的"圣杯"负极材料,高能量密度的锂金属电池有望成为后锂离子电池时代最具商业应用潜力的电化学储能系统.但是负极锂枝晶的生长带来了极大的安全隐患,"死锂"的积累和电解质的过度消耗造成了电池循环稳定性的下降,这些严重阻碍了锂金属电池的商业应用.近年来,国内外学者通过电极结构设计、固态电解质、隔膜修饰、保形包覆、添加剂等手段有效抑制了枝晶的生长.本文着重介绍了功能性添加剂和保形包覆两种策略的成功实例,通过在负极-电解质界面处注入富氟成分或引入亲锂性基团以均匀化锂离子流,从而实现稳定且无枝晶的负极循环,为锂金属电池的发展提供有益的见解.     

石墨烯在柔性锂离子电池中的应用及前景

随着具有变形功能的移动电子设备的出现和发展,为其供电的可变形、柔性锂离子电池近年来受到广泛关注.柔性锂离子电池一般指具有可逆弹性变形能力,同时可正常工作的锂离子电池.按照变形难易程度,大部分研究中的柔性锂离子电池,均指可弯折柔性锂离子电池.本文总结了石墨烯在可弯折柔性锂离子电池领域的进展情况.石墨烯具有很高的电子电导率,可将石墨烯附着于高分子、纸、纺织布等柔性基底上,利用基底提供柔性支撑、力学性能,石墨烯提供导电网络,形成石墨烯/柔性基体复合结构.利用石墨烯的二维柔性结构及表面官能团,与其他材料复合,能够制备出一体化石墨烯复合柔性电池电极.石墨烯柔性复合材料作为电极时,能够提高电池的整体能量密度,因此具有更广阔的发展前景.本文同时介绍了柔性锂离子电池的力学特性和电化学性能表征方法,并对柔性锂离子电池的未来发展方向进行了预测.柔性锂离子电池发展趋势是提高其变形能力,并赋予柔性锂离子电池一定的可拉伸性能,以使其适应各种复杂应用;新型柔性锂离子电池也将具有自修复和快速充电能力;未来同时将研究喷涂或打印等新型柔性电极的制备和器件优化设计.虽然仍然存在尚待解决的问题,石墨烯柔性锂离子电池经过适当的电化学性能和力学性能改进,将在移动电子领域得到广泛应用.     

高电压正极材料在全固态锂离子电池中的应用展望

全固态锂离子电池是以固态电解质取代液体电解质的锂离子电池、它有望从根本上解决电池的安全性问题,如能实现其大容量化和长寿命,将在电动汽车和规模化储能领域具有非常广阔的应用前景.由于固态电解质比液态电解质有更宽的工作电位窗口,因此可以在全固态电池中使用具有较高电压平台的正极材料,通过提升电池的工作电压以获得高能量密度,从而实现大容量化.锂离子电池正极材料尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4,三元层状材料和富锂锰基正极材料都具有较高的电压平台,是全固态锂离子电池可选用的理想正极材料.本文介绍了尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4,三元层状材料和富锂锰基正极材料的结构和性能特点,重点阐述了与改善材料的电导率和界面性质相关的的研究,改善其作为全固态锂离子电池正极材料与固态电解质的匹配性能,从而全面提升全固态电池的性能.总结了3种材料在全固态锂离子电池中应用存在的问题,提出未来的技术攻关方向,并对其在全固态电池中的应用前景进行了展望.     

用于锂离子电池的石墨烯导电剂:缘起、现状及展望

石墨烯具有很高的电导率及柔性、二维、超薄的结构特性,是兼具"至薄至柔至密"特征、极具潜力的锂离子电池导电剂.使用在锂离子电池中,通过与活性物质"面-点"接触,"至薄至柔"的石墨烯具有非常低的导电阈值——使用量较少时就可以有效提高电极的电子电导率,大幅降低作为非活性物质的导电剂使用量,实现电池活性物质的"至密构建",有效提高电池的体积能量密度.然而,石墨烯的二维平面结构又会对电极内部锂离子的传输产生"位阻效应",影响高倍率条件下锂离子电池性能的发挥.因此,在使用石墨烯导电剂时,需要结合最终锂离子电池设计需求(能量或功率性能优先),综合考虑其对电子/离子传输过程的影响,提出石墨烯导电剂的设计方案.本文从石墨烯及其用作导电剂的特点、影响石墨烯导电剂使用的关键因素等方面出发,详细评述了石墨烯导电剂的应用缘起和研究现状,并对石墨烯的未来应用趋势和产业化前景进行了展望.     

锂离子电池极片制造中的微结构演化

锂离子电池是能源领域的革命性创新,具有能量密度高、循环寿命长等优点,推动了新能源、新能源汽车等新兴产业的跨越式发展,并应用于卫星、无人机等国家战略领域,成为世界各国竞争的战略高地.锂离子电池的广泛应用不仅源于新兴能源材料的创新,还与制造工艺及装备技术的进步密不可分.极片制造作为生产锂离子电池最核心的过程,包括制浆、涂布、辊压三大关键工序,制造的正负电极构成了电化学反应载体和整个电池的核心.在电极制造中,多孔多组分电极微结构发生复杂的演化与定构过程,很大程度上决定了单体电池的能量密度、倍率特性等性能.本文分析极片制造中制浆、涂布和辊压技术进展与应用情况,重点讨论电极微结构在制造过程中的演化以及其对电池电化学性能的影响,旨在从“制造工艺-微结构-性能”之间的关系视角形成对电极微结构设计、材料制备、制造工艺的进一步认识,为研发高性能锂离子电池提供指导.     

基于热管技术的动力电池热管理系统研究现状及展望

电池热管理是发展高性能动力电池系统的关键技术之一,也是工程热物理领域研究前沿和热点.本文介绍锂离子动力电池热特性,阐述热管理对动力电池的重要性.介绍动力电池热管理主要技术手段,重点介绍热管技术应用于电池热管理的研究现状,从电池运行工况对系统传热的影响研究、热管传热特性分析与设计、热管理系统散热结构设计与传热分析及采用热管的电池加热研究4个方面阐述当前基于热管技术的电池热管理研究现状.最后,总结当前研究存在的不足及需要突破的关键问题,以期促进先进动力电池热管理系统开发.     

锂硫电池非均相电催化剂

锂硫电池具有理论能量密度高、硫资源丰富等特点,被认为是下一代极具前景的储能电池体系.但锂硫电池中严重的多硫化物“穿梭效应”以及迟缓的反应动力学等问题制约其进一步发展.近年来,将非均相纳米电催化剂引入锂硫体系,在抑制“穿梭效应”及提升反应动力学方面取得了显著效果.本文对常见的非均相电催化剂调控策略进行了清晰的分类,总结了最新的研究进展,分析了不同调控策略对于促进多硫化物转化的内在机制,最后对未来锂硫电池电催化剂的发展进行了展望.     

羰基化合物作为锂离子电池有机电极材料研究进展

随着锂离子电池从便携式电子设备到大规模储能系统的应用,开发具有高能量密度、功率密度和长循环寿命的锂离子电池成为研究的重点之一.而锂离子电池的性能很大程度上取决于电极材料.目前,广泛使用的无机电极材料普遍存在容量提升有限、能耗高和成本高等缺陷.因此,开发新型电极材料至关重要.与传统无机材料相比,有机电极材料具有结构可控、资源丰富、清洁环保和成本低廉等优势,近年来得到了广泛关注.其中共轭羰基化合物以羰基为活性基团,因其结构多样、理论容量高和反应动力学快而被广泛研究.本文从正极、负极、全电池三方面,综述了目前国内外已经开展的关于羰基化合物作为锂离子电池电极材料的研究工作,评述了这些化合物的电化学性能及其具备的优势和存在的不足,并指出了有机化合物作为锂离子电池电极材料需要解决的关键问题.     

高比能长寿命锂离子电池电极/电解质界面修饰与调控

高能量密度、长寿命及高安全等性能是锂离子电池研究持续追求的目标和发展方向.电极/电解质界面稳定性是制约高比能量长寿命锂离子电池实用化的关键因素.本文针对发展高电压/高能量密度电池体系所面临的挑战,重点总结回顾了本研究团队在过去15年里在正极/电解液界面调控、负极/电解液界面调控、高安全阻燃电解液技术开发,以及固体电解质的结构/界面稳定性调控方面的若干探索性研究工作,并提出了高电压、高安全液体电解液技术和固态电解质及其界面研究为未来该领域的研究重点.     

二维材料功能化隔膜在锂电池中的应用

功能化隔膜对于锂二次电池的安全性能和电化学性能有着重要影响.相比于其他改性传统聚烯烃隔膜的材料,二维材料具有超薄的片层结构、高机械强度、高比面积以及可调的表面化学性质等优势.本文综述了不同类型二维材料功能化隔膜在解决锂硫电池中多硫化物的穿梭效应、锂金属电池中负极枝晶生长问题,以及锂离子电池中传统聚烯烃隔膜润湿性和热稳定差等问题的研究进展.最后,讨论了二维材料在锂电池隔膜中面临的机遇和挑战.     

电解液调控实现高电压高镍三元长循环稳定

<正>为了满足500公里以上续航里程的苛刻要求,根据国家动力电池技术规划,对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求,2025年达到400 Wh/kg,2030年达到500 Wh/kg.正极材料的选择对提高电池的能量密度非常关键.LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂(NCM811)因具有高比容量和高工作电势而在高能量密度锂离子电池领域备受关注^[1,2].对于NCM811来说,Ni元素通过Ni²⁺/Ni³⁺和Ni³⁺/Ni⁴⁺氧化还原对贡献了大部分电容,并且随着充电截止电压的升高,提供的比容量增加,从而更高的能量密度可被获得.     

锂离子电池若干正极材料体系的研究进展

锂离子电池能量密度的提高与其正极材料密切相关,富锂层状氧化物及新型聚阴离子化合物作为下一代高能锂离子电池的正极材料已引起研究工作者的广泛关注.结合本课题组的研究工作,综述了这一领域的最新研究工作进展.重点针对材料结构、物理化学(尤其是电化学)特性、电化学反应机理的原位谱学研究以及材料组成-结构-性能之间的相互关系进行了总结、分析及评述.     

氟化共价有机框架构筑氧气纳米传输通道助力锌-空气电池

<正>“双碳”目标的提出,绿色新能源和储能设备迎来了新一轮发展的春天,而绿色新能源的研发,同时需进一步加快储能技术的发展.可充电电池是解决目前储能问题最有效的方法之一.锂电池虽然是目前最有效的能源存储设备,但随着电池技术的不断突破,锂离子电池的实际能量密度也逐渐接近于其理论上限.而且有限的锂金属资源,且易挥发、易燃和有毒有机电解质的使用更加限制了锂电池的大规模应用[1].因此,下一代大规模电化学储能装置亟待需要在高比能、可持续、低成本、易回收和高安全等维度上寻找新的突破.水系可充电电池可满足以上要求,且因其绿色环保和组装简单等优势得到科研工作者的广泛关注.     

膨胀负极的力学强化:“厚密”硅-碳电极新策略

正随着人工智能时代的来临,消费电子器件便携性要求的提高以及电动汽车使用空间的限制,使锂离子电池的发展面临"空间焦虑",即体积能量密度已成为锂离子电池发展的当务之急.高(质量、体积)比容量的硅基负极是最有潜力部分取代商用石墨的锂离子电池用新一代负极材料,但在嵌锂过程中会发生巨大的体积膨胀,导致固态电解质界面(SEI)破裂及电极粉化等问题,使得容量迅速衰减.     

MOFs作为模板制备锂离子电池负极材料的研究进展

金属-有机框架(MOFs)材料具有易制备、易修饰、高孔隙率、大比表面积、多化学活性位点、可调孔径大小等优点,已被广泛应用于能源储存与转化相关领域.本文介绍了MOFs直接作为锂离子电池负极材料的研究现状,同时重点综述了MOFs衍生材料(多孔碳、过渡金属氧化物、金属氧化物/碳质复合材料、金属/金属氧化物)的制备方法及其在锂离子电池负极中的应用,提出了此类材料作为锂离子电池负极材料需要重视的问题和面临的挑战.通过高温煅烧或者可控的化学反应等方法,MOFs材料可以简单方便地转化为传统的无机功能材料(金属化合物或碳).这些材料具有结构可调和化学成分多样化等优点,可以进一步提升电化学性能.最后,展望例如MOFs衍生材料在电化学储能和转换的发展方向和应用前景,为定向合成此类材料在电化学方面的应用提供有意义的实验基础和理论价值.     

在飞机上使用的锂离子电池研究

随着科技发展,锂离子电池技术广泛发展。文章介绍了在飞机上使用的锂离子电池的发展简述及其优异的性能,最后对锂离子电池的前景进行了展望。     

锂离子电池的发展现状及展望

锂离子电池具有比能量高、无记忆效应、工作电压高以及安全、长寿命的特点。本文回顾了锂离子电池的发展历史,分析了锂离子电池的工作原理,总结了锂离子电池的特点,综述了目前锂离子电池常用的正、负极电极材料和电解质,最后分析了锂离子电池目前存在的问题并对其未来的发展进行了展望。     

“穿”在身上的电池

<正>出门不需要带充电器和充电宝,通过身上穿的衣服,就可以对手机进行无线充电,这听起来像是科幻片的场景正在逐步成为现实。近日,我国复旦大学的研究团队通过系统揭示纤维锂离子电池内阻随长度变化的规律,有效解决了聚合物复合活性材料和纤维电极界面稳定性难题,连续构建出兼具良好安全性和综合电化学性能的新型纤维聚合物锂离子电池。该纤维聚合物锂离子电池表现出了良好的综合性能,显示了广阔的应用前景。     

锂离子电池硅酸盐正极材料的研究进展

聚阴离子型正硅酸盐材料由于其具有较高的理论容量、高安全性、环境友好和价格低廉等特点, 被认为是下一代锂离子电池理想的正极材料之一. 本文介绍了这种材料的结构及性能特点, 并针对材料存在的电导率低、稳定性差、阳离子易混排等缺陷, 从优化合成方法入手, 综述了不同合成方法以及烧结温度对材料性能的影响, 探讨了碳的包覆及复合、金属元素的掺杂以及特殊的介孔结构对材料物化性能的影响, 提出了锂离子电池硅酸盐正极材料未来的研究重点.