您现在的位置: 首页 > 网站导航收录 > 百科知识百科知识
乙二醇二甲醚-乙二醇二甲醚络合物
负极,电池,金属乙二醇二甲醚-乙二醇二甲醚络合物
发布时间:2016-12-08加入收藏来源:互联网点击:
很多朋友想了解关于乙二醇二甲醚的一些资料信息,下面是小编整理的与乙二醇二甲醚相关的内容分享给大家,一起来看看吧。
(报告出品方/作者:中信建投证券,朱玥、张亦弛、马天一)
一、锂金属电池?以负极的“终极形态”之名1、锂金属,负极的“圣杯”
锂离子作为载流子,其优越的本征能由较小的离子半径、较高的荷质比决定。所以,高能二次电池通 常意味着某种类型的锂离子电池。商业化的正极材料比容量更低(~150-200mAh/g),所以正极材料的容量提升对电池(单体)能量密度提升 作用显著。而另一方面,负极的容量提升对于电池能量密度提升仍有相当程度作用。商业化的石墨负极容量在 360mAh/g 左右,已非常接近其理论比容量 372mAh/g。与其相比,更高理论比容量的负极材料,如硅,从学术 研究起步,逐步走入产业应用视野。而一切锂离子电池负极材料 的终点,无疑是具有高达 3860mAh/g 的理论容量,和 0V 对锂电压的锂金属本身。正因为此,锂金属号称负极 的“圣杯”。
2、锂金属负极往事:锂离子电池诞生前的黑暗
事实上,锂金属作为锂电池负极的科学、工程与商业化努力早在(成功商业化的)锂离子电池诞生之前就 已开始。1970 年,先驱 Michael Stanley Whittingham(后来的诺贝尔化学奖得主之一)发明的锂电池为二硫化 钛-锂铝合金电池;到 1985 年,加拿大公司 Moli Energy 更是依托此体系规模化生产搭载锂金属负极的二次电池。
Moli Energy 的锂电池具备超过 100Wh/kg 的比能量,首先应用于 3C 领域(掌上电脑、无绳电话)。从 1985年推出产品,到 1989 年春天推出第二代产品,再到同期第一代产品出现起火爆炸的安全事故,Moli Energy 在 1990 年春即为 NEC 收购。
NEC 分析了低倍率充放条件下锂金属电池的能表现:所有电池均迎来了容量急剧衰减、短路失效、乃至 起火爆炸的终局。事后分析,锂金属的不均匀沉积(也有研究工作认为是生长)形成的锂枝晶及其断裂/生长刺 穿隔膜是引起电池容量衰减、短路、起火爆炸的“元凶”。
除了锂枝晶之外,锂和电解质的副反应,锂的体积变化、形貌变化等等,也都影响着电池综合能的发挥。时至今日,石墨负极材料已为业界深入验证,而锂金属负极仍然在吸引着一批批研究者的关注:进行详尽 的现象观察、机理分析;寻找合适的电解质体系与锂金属相配;对电极本身进行改;从正极侧引入锂,使锂 金属只在充电态存在于负极,制成“无负极电池”……
二、依托液体电解质,锂金属电池的研究现状1、不止于枝晶,锂金属与共存的电解液
作为电池内部的锂离子通路,电解质(不对物相作区分)的综合能要求包括高锂离子电导和迁移数、低 电子电导、宽电化学窗口、低界面阻抗、对热稳定、低挥发,还有便宜与易于规模化;电解液的附加需求包 括具备一定极、低粘度易于润湿电极等。当搭配石墨负极时,电解液体系的离子电导高、润湿好、产生的 SEI 膜通常条件下稳定也高。但是锂金属负极搭配常规电解液时,均匀稳定保护强的 SEI 膜形成相当困难, 这使得锂枝晶形成与演进、锂负极-电解液界面副反应推进、反应产物导致电池体积变化等方面的负面效果明显, 放大了电池的缺点。
研究者在进行电解液-锂金属电池研究时,为了尽可能控制变量,通常会从厚锂负极层、过量电解液出发进 行电池设计,暂时忽略掉电解液和负极副反应对活锂损耗的影响,获得一定循环次数内的高库伦效率。而事 实上,有两个核心问题是必须解决的:其一,给定正极(不失一般,以能更高的三元正极为例子)已经引 入锂元素,那么负极的锂金属层什么厚度是合适的(无论从优化能还是从控制成本的角度来看);其二,电极 表面的 SEI 层理化质更稳定、成分更合理才会有利于电池寿命的延长和综合能的发挥,那么如何优化乃至 颠覆现有的电解液体系(部分情况下对金属锂表面进行处理/采用合金化方式也是解决方案)以取得理想的效果。 有效的研究工作也从这两个方面同时展开。
2、负极锂金属层:不要无限制地使用锂
锂金属厚度对电池能的影响以及其背后机理方面,美国西北太平洋国家实验室研究者 Chaojiang Niu、Jun Liu 等做了深入的分析,并且获得了质量能量密度 350Wh/kg、循环寿命超过 600 次的锂金属电池。相关研究工 作 Balancing interfacial reactions to achieve long cycle life in high-energy lithium metal batteries 2021 年发表在 Nature Energy 上。
研究者认为,科学研究工作在面向实践应用时,其能参数设置应尽量切合实际。在锂金属电池领域,应 该提升正极载量、降低电解液含量;应该降低负极的过量程度;最终求得锂金属和电解液、正极载量的平衡。 基于此基本思路,研究者选用 NCM622 正极,LiFSI、DME 乙二醇二甲醚、TTE 四氟乙基-四氟丙基醚构成的电 解液,和 100 微米、50 微米、20 微米(商业化锂箔最薄的厚度)等不同厚度的锂箔。N/P 分别为 5、2.5、1, 制作了 2Ah 级别的软包电池(分别对应不同锂箔厚度,还包括一个“无负极”电池)。
当使用 100 微米厚锂箔时,电池在 300 余次低倍率循环(倍率较低时锂枝晶不易出现)后出现了容量“跳 水”现象。换用 50 微米厚锂箔,上述现象在约 400 余次循环后发生。
将锂箔厚度减少至 20 微米,电池循环寿命提升到 600 次,容量保持率 76%。但无锂箔存在的条件下,电池 在 100 次循环后容量即衰减至 80%,在 500 次循环后彻底衰减至容量为 0。
研究者对此现象进行了分析:在电池循环中,锂金属和电解液的副反应,导致的是线的电池容量衰减; 而容量的突然“跳水”,则是循环过程中能不佳的 SEI 层生长引发的极化导致的。负极过量的锂金属使得电解液被大量消耗,形成的“干 SEI”就是能不佳的 SEI 层;负极完全没有锂(“无负极”电池)则会在 SEI 中夹 杂对容量无贡献的锂,同样使得电池能劣化。而 20 微米厚的锂箔表面可以生长出厚度适宜、形态良好的“湿 SEI”,这使得电池的循环能显著改善。
600 次有效循环、350Wh/kg 和 20 微米的锂箔,这是锂金属负极电池非常出色的实验结果;系统地对锂 用量及机理进行解释,指导意义更为可贵。(报告来源:未来智库)
3、电解液改,对锂金属的驯服
多个研究团队使用不同的液体电解质体系进行了锂金属负极电池/无负极锂电池的研究,并取得了阶段的 进展。
Dahn 团队的研究成果 Diagnosing and correcting anode-free cell failure via electrolyte and morphological analysis 2020 年发表在 Nature energy 上。研究工作的正极材料为单晶 NCM523(Dahn 在他的多项工作中选择此 正极),电解液使用的双锂盐为 LiBF4 和 LiDFOB,溶剂为 FEC 和 DEC,用量 2.6g/Ah,或 0.5ml/Ah;电池物理 形态为 230mAh 小软包电池。
常规循环结果显示,LiBF4 和 LiDFOB 搭配的无负极锂金属电池的寿命远远大于对照组使用六氟磷酸锂电解 质的锂金属电池;在约 100 次循环以内,其容量大于对照组锂离子电池。加压之后,其寿命有所提升;扫描电 镜照片显示加压对电极形态有较明显的积极作用。
上一篇:一叶一菩提是什么意思-一花一落叶一叶一菩提是什么意思
下一篇:返回列表
相关链接 |
||
网友回复(共有 0 条回复) |