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鋰電池與納米技術

作者:轉載   文章來源:上海香蕉app二维码機電科技有限公司   時間:2016-11-17

  三星電子宣布暫停Galaxy Note 7生產,同時決定自2016年10月11日起,召回在中國大陸地區銷售的全部三星Note7。三星Note7電池爆炸事件毫無疑問引發了人們對於電池安全的更高關注。

納米材料和納米技術在電子信息、新能源、先進裝備、生物醫藥等新興產業有廣泛應用,借此機會香蕉app官网一起來看看納米技術在電池領域的“用武之地”。今天先從鋰離子電池說起——

鋰離子電池小課堂

所謂鋰離子電池(Lithium-ion battery)是指分別用兩個能可逆地嵌入和脫嵌鋰離子的化合物作為正負極構成的二次電池。

1、鋰離子電池的結構

鋰離子電池一般包括:正極(positive)、負極(negative)、電解質(electrolyte)、隔膜(separator)、正極引線(positive lead)、負極板(negative plate)、中心端子、絕緣材料(insulator)、安全閥(safety vent)、密封圈(gasket)、PTC(正溫度控製端子)、電池殼。

2、鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池是一種充電電池,它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。

正極和負極必須具有類似海綿的物理結構,以釋放和接收鋰離子。在放電時,鋰離子從負極材料移出至電解液,再像水進入海綿一樣地進入正極材料,這個過程被稱為嵌入。當電池充電時,鋰離子從正極中脫嵌,在負極中嵌入。二者過程相反。


納米技術在鋰離子電池領域的應用

隨著科技的發展,納米技術更多的運用於鋰離子電池領域,傳統電池材料存在的許多重難點基礎問題有望得到解決。下麵香蕉app官网一起看看這些新型納米技術的運用。

1、電池充電過熱

  手機爆炸的常見原因之一就是電池過熱。電池刺穿、短路或過度充電都會產生熱量。如果溫度達到約150攝氏度,電極之間的電解質就會著火並引發爆炸。

納米級凸起的鎳顆粒覆蓋石墨烯在電池中的應用

  運用納米技術,崔屹、鮑哲楠等人在具有彈性的聚乙烯薄膜中嵌入覆蓋石墨烯並帶有納米級凸起的鎳顆粒。導電時鎳顆粒彼此接觸;溫度升高時聚乙烯薄膜被拉伸,鎳顆粒相互分開使薄膜不再導電。這為解決過熱問題提供了安全、可逆的策略。

2、鋰離子電池充放電效率

碰到下圖這種情況,相信大家和小編一樣都會十分崩潰,也會不禁想問:“手機電池怎麽越來越不耐用了?”

  問題是這樣的:鋰離子電池的容量是由電池陽極所能附著的鋰離子數量決定,而在充放電過程中,矽材料不斷吸收與釋放鋰離子,產生膨脹與收縮,這種反複會導致矽材料變得粉末化,導致電池的容量不斷降低。

 斯坦福大學崔屹等人的研究成果解決了這一難題,他們利用納米技術製成了矽納米線作為陽極,在吸收鋰離子時能夠膨脹四倍,而在放電過程中又不會出現粉末化或者折斷,這就意味著不僅能夠確保電池容量提升10倍,而且可以大幅度延長鋰離子電池的使用壽命。

3、SEI膜的穩定性

  當鋰與電解液接觸時,會在鋰負極上形成一鈍化膜並不斷增厚。穩定的SEI膜有助於負極材料高庫倫效率和長期穩定性的實現,然而,體積變化導致SEI不斷變化,難以維持穩定。


納米技術如何實現SEI膜的穩定呢?

Si表麵SEI膜的形成與穩定策略

針對Si負極,主要采用空心包裹的策略來實現SEI膜的穩定。譬如Si@C,Si@CNT,Al@TiO2等多種yolk-shell結構的設計,既提供了電解液阻隔層,又為活性顆粒的體積膨脹預留了空間,電池性能從而得到有效提高。


Li金屬表麵SEI膜的形成與穩定策略

針對Li金屬負極,研究人員在鋰金屬和電解質之間構建一層納米界麵保護層,譬如相互連接的空心碳納米球,或者超薄的二維BN/Grphene納米複合材料。這樣,在充放電過程中,SEI膜就因界麵保護層的存在而穩定,不會逐漸變厚。


展望

香蕉app官网相信,隨著納米技術的深入發展,其他納米技術的運用可以更好地解決鋰離子電池存在的問題,製作更加優良的電池產品。


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