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Nature子刊综述:极端温度条件下的锂电池材料

   日期:2017-07-25     来源:纳米人    浏览:1366    评论:0    
对能源储存日益增长的需求,不断要求电池能够在各种极端条件下工作。锂离子电池作为新一代储能技术,虽然已经被广泛研究和应用,却几乎只能在室温环境中工作。
 
这主要是因为,高温或低温,都将引起电池性能降低。尤其是在高温条件下,内部会产生较大的热量浮动,从而引起爆炸等安全事故。
 
图1. 典型商业化锂电池在不同温度下的能量密度
 
有鉴于此,RiceUniversity的Pulickel M. Ajayan等人从锂离子电池的材料角度阐述了近年来极端温度条件下(<20℃或>60℃)的锂离子电池的研究进展。
 
图2. 典型电池材料的工作温度极限
 
一、正极材料
 
正极是锂离子和电子的中转中心,很容易发生相变。另一方面,在深度充电情况下,电极-电解质界面发生的副反应往往会使电极结构变得不稳定。
 

表1. 可在极端温度条件下工作的正极材料
 

图2. 常见正极材料在不同温度下的性能
 
二、负极材料
 
负极材料的工作往往依赖于有效的异质结构钝化层,温度升高将使得钝化结构破坏,并引发副反应;而温度降低又将降低锂离子的透过性。
 

图3. 石墨负极在极端温度条件下存在的挑战

三、电解质
 
低温条件下,电解质粘度增加,阻碍离子迁移和电极润湿性,降低比率性能;而且,导电性降低将引起电极周围锂离子的消耗。高温条件下,电解质容易发生化学变化,并和带电的电极发生反应。
 
表2. 可在极端温度条件下工作的电解质
 
四、其他材料
 
除了正极材料、负极材料以及电解质材料之外,锂离子电池中还有一些辅助材料,譬如隔膜、粘结剂以及集流器等等。这些材料虽然几乎不具有电化学活性,很少被研究,但是,它们也是保障电池在极端条件下正常工作的重要因素。
 
Marco-TulioF. Rodrigues, Pulickel M. Ajayan et al. A materials perspective on Li-ionbatteries at extreme temperatures. Nature Energy 2017, 2, 17108.
 

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