量子化学原理在锂离子电池研究中的应用

锂离子电池的发展强烈地依赖于相关材料的性能,因此对材料进行理论设计以寻找具有特定性能的材料以及对电池充放电过程中有关现象的理论解释已经成为材料研究的迫切要求.量子化学和现代计算技术的发展,已基本上能满足这一要求.本文综述了近年来量子化学原理在锂离子电池研究中的应用.重点评述了量子化学原理在锂离子电池电极材料平均插锂电压的预测、锂的嵌入-脱嵌机理研究、锂离子电池正极材料晶格畸变的研究以及其它物理化学性质的理论计算中的应用.     

Development on Synthesis Methods for Nano-Materials of Cathode for Lithium Ion Battery

纳米材料具有独特的物理和化学性质。纳米技术的应用为开发高能量和高功率的锂离子电池多元化发展提供了方向,成为锂离子电池电极材料发展的重要途径。本文介绍了纳米级锂离子电池正极材料的各种合成方法及电化学性能,如：固相法喷雾干燥法、微波合成法、溶胶凝胶法、冷冻干燥法等,指出电极材料纳米化应用中的问题并给出建议,展望了纳米正极材料实用化的美好前景。     

锂离子电池正负极材料研究进展

本首先讨论了锂离子电池用正极材料ＬｉＣｏＯ２、Ｌｉ－Ｍｏ－Ｏ体系的相图,结构性质和理论电极容量的关系及最新研究进展,其次评述了锂离子电池各种负极材料的性能及应用情况,并在此基础上提出了正负极材料的研究方向。     

锂镍钴锰氧正极材料的热聚合法制备及性能表征①

锂电池发展受锂离子电池正极材料制约,这是因为正极材料与负极材料相比,其功率密度及能量密度均低于负极材料,进而引发钽电池安全隐患。目前在商业锂离子电池中,LiC002正极材料应用最为广泛,具有循环性能好的优点,但由于热稳定性差。且聚毒性特征,难以得到进一步应用。该文拟采用热聚合法合成锂镍钴锰氧材料（LiNi1/3Co1/3Mn1/2O2）,对其制备及表征性能进行研究,以求寻得高能量,高密度、低污染的电极材料。     

微纳结构硅在锂离子电池中的研究现状

近年来,随着人们对能量需求的日益增大,已商业化应用的石墨电极已经很难满足高性能电子产品对高能量密度的需求,因此发展高能量密度的锂离子电池显得尤为重要。在已研究的先进材料中,硅已被证明存在巨大的储能潜力,其理论比容量（约4 200 mA·h·g^-1）远高于已商业化应用的石墨类电极材料。对锂离子电池中硅电极材料的微纳结构、制备方法、电化学性能及相关机理进行了总结,目的是研究不同结构的硅电极材料对电池性能的影响,以找到性能较为优异的硅电极结构。结果表明,在已被研究的硅基复合材料中,核壳结构和多壁纳米管结构硅电极材料在电化学性能方面均体现出了明显的优势。最后简要分析了硅基电极材料发展中存在的问题,并对其研究前景进行了展望。     

三氧化钼应用为锂离子电池负极材料研究综述

锂离子电池由于其具备的高能量密度、较长的循环寿命和无记忆效应等优点被广泛应用在储能领域。传统商用锂离子电池石墨负极理论容量为372 MAh/g,这极大地限制了电池性能的进一步发展。三氧化钼负极由于其具备较高的理论容量和特殊的电化学性质而备受关注,但仍存在着如导电性差、循环和倍率性能差等缺点。基于此,通过梳理近年来关于三氧化钼应用为锂离子电池负极的研究,综述了多种提升三氧化钼电极材料性能的方法,以期为后续的研究作为参考。     

室温离子液体用作锂离子电池电解液时的电性质

室温离子液体(RTIL)具有液程宽、热稳定性好、不可燃、无蒸气压、导电性好、易回收等突出的优点,用于锂离子电池可以很好地解决电池在高能量密度下的安全性问题,使锂离子电池在电动车或其它大型动力系统中的应用成为可能．本研究了LiCoO2电极在1mol／L LiTFSI／TMHATFSI离子液体电解液中的电化学行为,探讨了温度和电流密度对电极电化学性能的影响,测定了锂离子通过电极和电解液相界面的迁移活化能,解释了影响LiCoO2电极性能的内在原因．     

新型高能化学电源电极过程及其研究方法的进展

简要介绍国际上新型高能化学电源的一些研究现状,并主要结合课题组的研究工作,就锂离子电池纳米相电极材料,金属氢化物电极表面电化学性能及其相关电极过程和化学电源研究中谱学电化学方法的应用等进行了总结和回顾。     

Fe2O3在锂离子电池负极材料中的研究进展

近年来,锂离子电池被广泛地应用于便携式电子设备和手机,并且对于诸如电动汽车等更高要求的应用而言具有巨大的潜力。作为锂离子电池负极材料,Fe₂O₃是最有可能替代石墨的过渡金属氧化物之一。因其具有高的理论比容量（1 007 mA·h·g^-1）、储量丰富、安全性能好、无毒、环境友好和成本低等一系列优点,被广泛应用于气体传感器、催化和锂离子电池电极材料等领域,是一种具有巨大潜力的电极材料。介绍了锂离子电池的基本结构组成和工作原理,综述了Fe₂O₃的储锂机制和制备方法,总结了近年来Fe₂O₃以及它的复合物作为锂离子电池负极材料的研究进展。     

多孔碳材料的合成及其在锂离子电池中循环性能的研究

基于多孔有机聚合物及其衍生碳材料在锂离子电池负极材料领域的发展和研究现状,探究了一种孔径可控的多孔碳纳米球的合成方法 .首先,设计合成了6,13-双（双4-溴苯基亚甲基）并五苯化合物,并以此为单元制备了一系列具有规则形貌的新型多孔有机聚合物.通过将不同孔径尺寸的聚合物在不同温度下进行碳化,以此探究碳化温度对材料电化学性能的影响.根据得到的数据可知,多孔碳材料THF-800具有最好的循环稳定性和优异的倍率性能,由此证明THF-800在锂离子电池负极材料领域具有潜在应用价值.此外,对锂离子电池负极材料孔径尺寸进行了调控,可以促进有机材料在锂离子电池中的应用,最终拓展了多孔有机聚合物衍生碳材料在锂离子电池负极材料中的应用范围.     

尖晶石型Li-Mn-O多元素掺杂的高温电化学特性

采用高温固相浸渍法合成了多元复合掺杂尖晶石型锰酸锂Li 1.02MxMn 2-xQyO 4-y正极材料.XRD表征合成的产物均为良好的尖晶石型结构材料;SEM表明所合成的产物颗粒均匀且有良好的粒径分布.以该物质作为锂离子电池的正极材料组装成扣式电池,经充放电循环测试可知:多元素掺杂的尖晶石型锰酸锂正极材料Li 1.02CoaCrbLacMn 2-a-b-cFyO 4-y较富锂尖晶石和单元素Co、Cr掺杂的正极材料能够更好地抑制电池的可逆容量在充放电过程中的衰减,循环性能有了很大改善,表现出很好的电化学可逆特性,80次循环后放电容量仍能保持94.5%以上;特别是高温(55 ℃)性能更加突出,40次循环后放电容量仍能保持102.1mA.h/g(91.5%)以上.作为锂离子电池的正极材料,该复合掺杂材料是众多取代钴酸锂材料中最具竞争力的材料之一,也有望成为锂离子动力电池的正极材料.     

软包锂离子电池应力特性及其建模

锂离子电池是一个电-热-力耦合系统,对其充放电过程中力学特性的研究有重要意义。通过位移式应力传感器,测量并分析了软包单体锂离子电池在不同状态下的静态应力以及不同充放电电流下的动态应力特性。研究了电流、荷电状态、历史运行工况等因素对电池应力变化的影响规律,并通过拟合优度分析和相关性检验,建立了可靠的应力特性多元回归模型。研究表明,静态应力与电池SOC有单调对应关系;动态应力产生于充放电过程,且充电电流越大,动态应力越大。所建立的电池应力模型可较好地描述电池在充电不同阶段、不同电流下的应力变化。     

Lithium-ion batteries: runaway risk of forming toxic compounds

Lithium-ion batteries are stabilized by an ultrathin protective film that is 10-50 nanometers thick and coats both electrodes. Here we artificially simulate the 'thermal-runaway' conditions that would arise should this coating be destroyed, which could happen in a battery large enough to overheat beyond 80 degrees C. We find that under these conditions the reaction of the battery electrolyte with the material of the unprotected positive electrode results in the formation of toxic fluoro-organic compounds. Although not a concern for the small units used in today's portable devices, this unexpected chemical hazard should be taken into account as larger and larger lithium-ion batteries are developed, for example for incorporation into electric-powered vehicles.     

锂离子电池层状结构三元正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2研究进展

 三元层状结构LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂具有较高的可逆容量、结构稳定性、热稳定性和相对较低的成本,成为电动汽车领域最具前景的锂离子电池正极材料之一。综述了锂离子电池正极材料LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂的结构、电化学性能及对其进行性能优化的掺杂、表面包覆和制备特殊纳米结构材料的3 种方法。其中,纳米材料的研究是锂离子电池正极材料的研究热点之一。材料的电化学性能与粒子尺寸、形貌、多孔性、结晶性和比表面积紧密相关。因此,提高正极材料LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂的电化学性能时,要充分考虑到这些因素的影响。     

Advanced materials for aqueous supercapacitors in the asymmetric design

Supercapacitors have been recognized as one of the promising energy storage devices in the future energy technology. In this perspective, rapid progress is made in the development of fundamental and applied aspects of supercapacitors. Various techniques have been developed specifically to estimate the specific capacitance. Numerous efforts have been made in the literature to increase the specific capacitance of electrode materials. Recently, researchers pay more attention on designing supercapacitors of asymmetric type with extending cell voltage and dissimilar materials with complementary working potentials. Researchers try to increase the specific energy of asymmetric supercapacitors (ASCs). Conversely, it is still a challenge to find a suitable operation conditions for ASCs in various designs, especially for the one with battery type electrode. In this review, we describe our recent research works and other reports on the preparation of various nanostructured electrode materials and the performances of both symmetric and asymmetric supercapacitors. Finally, we demonstrate effects of charge balance on the capacitive performances of ASCs which consist of one electrode material of the battery type and one capacitive material. We also demonstrate how to evaluate the charge capacities of both positive and negative electrode materials for this ASC application.     

基于电磁感应方式的锂离子电池无线充电器的设计与实现

本文设计了一种基于线圈电磁感应原理的无线充电平台,对锂离子电池的无线充电技术进行了实验分析和研究。测量了该平台的PWM驱动信号,能量发送电路,能量接收电路,锂离子电池充电时间和充电电压,测得的实际波形和数据说明该无线充电平台符合设计要求,使无线供电技术在其它便携式电子产品中的应用提供了参考案例。     

基于有限元分析的动力锂离子电池生热特性研究

针对电动汽车用动力锂离子电池的热安全性问题,以某11 Ah动力锂离子电池为例,进行有限元建模分析,分别对锂离子电池单体在不同充放电倍率、不同环境温度以及不同散热条件下的发热情况进行了分析.结果表明,锂电池放电倍率越高温升越高且温度分布越不均匀,良好的散热模式有助于电池温升的抑制和提高电池的热稳定性.定量化的计算仿真结果符合实际,研究结果为该类电池的建模与仿真提供了借鉴和参考,对锂电池单体的设计优化及锂电池热管理系统的研发具有指导意义.     

从2019诺贝尔化学奖谈锂电池前世、今生和未来

锂离子电池技术及产业在经过了近50年发展,在3C(Computer, Camera, Cellphone)和电动汽车领域获得了广泛的应用。2019年诺贝尔化学奖颁给了该领域的三位开创者。从三位诺贝尔化学奖得主的科研历程出发,介绍锂离子电池的工作原理和构成器件的变革,总结了锂离子电池产业的发展现状,对该领域的未来发展做出初步展望。     

6ICP30锂离子蓄电池组的低球轨道环境模拟试验

对于未来的空间任务,锂离子蓄电池因其卓越的重量比能量、体积比能量以及循环寿命而比传统的镉镍蓄电池表现出更大的优势．而锂离子蓄电池组能否通过空间飞行器轨道的环境特点,对6ICP30锂离子蓄电池组进行了热真空、高低温交变、辐照等试验,部分验证了锂离子蓄电池在空间应用的可能性．     

基于粒子滤波的锂离子电池剩余使用寿命预测

锂离子电池因其循环寿命产生的问题更加被重视。为了对锂离子电池的剩余循环使用寿命进行预测研究,采用了粒子滤波算法。首先对粒子滤波算法进行了概述。然后用它对电池的剩余使用寿命预测。简要描述了3组电池数据下的实验;并与扩展卡尔曼滤波进行了对比实验分析。实验结果表明了粒子滤波算法在3组数据下的绝对误差平均值近似4%,均方根误差平均值近似5%,扩展卡尔曼滤波的绝对误差平均值和均方根误差平均值分别近似6%和7%。说明了粒子滤波在锂离子电池剩余使用寿命预测中比扩展卡尔曼滤波精度更高。