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锂离子电池开始一路狂奔 走近动力电池
发布时间:2021-02-26 00:40    文章作者:pt视讯

  1800年,意大利物理学家亚历山德罗·伏特发明了人类历史上的第一个电池——伏特堆。这一用锌片(阳极)和铜片(阴极)以及浸湿盐水的纸片(电解液)制成的最初的电池,证明了电的人为制造可能性。

  自此,电池作为能够提供持续而稳定电流的装置,经历了200余年的发展,不断满足人们对电力灵活运用的需求。

  近年来,随着对可再生能源利用的巨大需求和对环境污染问题的日益关注,以锂电池为代表的二次电池(可充电电池或蓄电池)——这种能够将其他形式能量转换成的电能,并预先以化学能的形式存储下来的储能技术,持续革新着能源系统。

  锂电池的成长从另一个侧面昭示着社会的进步。事实上,不论是手机、电脑、相机,还是电动汽车,都是基于锂电池技术的成熟才得到快速的发展。

  电池有正负两极。正极也就是阴极,常用较为稳定的材料制作,而负极也就是阳极,常用“活性较高”的金属材料制作。正负极通过电解质进行隔离,并将电能以化学能的形式储存于两极之中。

  两极之间发生的化学反应产生离子和电子,离子在电池内部传递,并逼迫电子在电池外部传递,形成回路,从而产生电能。

  20世纪70年代,美国爆发石油危机,加上军事、航空、医药等领域对电源的新的要求,推动了可充电电池来储存可再生清洁能源的探索。

  在所有金属中,锂的比重极小、电极电势极低。也就是说,理论上,锂电池体系能获得最大的能量密度。因此,锂顺理成章地进入了电池设计者的视野。

  但是由于锂活性的过高,所以遇到水或者空气都可能发生剧烈反应以至于燃烧和爆炸,因此如何“驯服”锂成为了电池发展的关键。此外,锂在室温下容易与水反应,如果要让锂金属应用在电池体系中,非水电解质的引入非常关键。

  1958年,Harris提出采用有机电解质作为金属原电池的电解质。1962年,来自美国军方LockheedMissile和SpaceCo。的ChiltonJr。和Cook提出“锂非水电解质体系”的设想。

  Chilton 和Cook设计了一种新型的电池使用锂金属作为负极,Ag,Cu,Ni等卤化物作为正极,低熔点金属盐LiC1-AlCl3溶解在丙烯碳酸酯中作为电解液。尽管该电池存在的诸多问题使它停留在概念上,未能实现商品化,但Chilton和Cook的工作还是开启了锂电池研究的序幕。

  1970年,日本松下电器公司与美国军方几乎同时独立合成出新型正极材料——碳氟化物。松下电器成功制备了分子表达式为(CFx)n(0.5≤x≤1)的结晶碳氟化物,将它作为锂原电池正极。氟化锂原电池发明是锂电池发展史上的重要一步,第一次将“嵌入化合物”引入到锂电池设计中。

  然而,要想实现锂电池可逆充放电,关键在于化学反应的可逆性。彼时,不可充电电池大多采用锂负极和有机电解液。于是,为了实现可重复充电电池,科学家们开始致力于将锂离子可逆嵌入层状过渡金属硫化物正极。

  埃克森美孚公司的Stanley Whittingham发现,以层状TiS2作为正极材料测插层化学可以实现可逆充放电,放电产物为LiTiS2。

  1976年,Whittingham开发的这种电池实现了良好的初次效率。但经过重复充放电几次之后,由于电池内部形成锂枝晶,枝晶从负极生长到正极,形成短路,造成点燃电解质的风险而最终失败。

  此外,1989年,因为Li/Mo2二次电池发生起火事故,除少数公司外,大部分企业都退出金属锂二次电池的开发。因为无法解决的安全问题,锂金属二次电池研发基本停顿。

  鉴于各种改良方案不奏效,锂金属二次电池研究停滞不前。最终,研究人员选择了颠覆性方案,即摇椅式电池,让锂二次电池的正负极均由嵌入化合物充当。

  20世纪80年代,Goodenough正在英国牛津大学对层状LiCoO2和LiNiO2正极材料结构进行研究。最终,研究人员实现了一半以上的锂从正极材料上可逆脱嵌。这一成果最终催生了锂离子电池的诞生。

  1991年,索尼公司推出了第一款商业锂离子电池(阳极为石墨,阴极为锂化合物,电极液为锂盐溶于有机溶剂)。由于锂电池的高能量密度和配方不同能够适应不同使用环境的特点,锂电池最终实现商业化,在市场得以广泛使用。


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