Fundamental scientific aspects of lithium batteries (Ⅷ)----Anode electrode materials

锂离子电池的成功商业化,起始于石油焦负极材料.负极作为锂离子电池必不可少的关键材料,目前主要集中在碳,钛酸锂以及硅基等合金类负极,采用传统的碳负极可以基本满足消费电子,动力电池,储能电池的要求,采用钛酸锂可以满足高功率密度,长循环寿命的要求,采用合金类负极材料有望进一步提高能量密度.本文小结了目前广泛使用和正在研究的锂离子电池负极材料的性能特点,讨论了下一代锂离子电池负极材料的研究和发展状况.     

Fundamental scientific aspects of lithium batteries (VII)--Positive electrode materials

提高锂离子电池正极材料的综合性能以满足其对能量存储日益提高的要求,一直是锂离子电池领域最重要的研究方向.目前的正极材料主要基于层状结构,尖晶石结构以及橄榄石结构,采用这些材料的锂离子电池可以基本满足消费电子,电动车辆,规模储能等要求.本文小结了目前广泛使用的锂离子电池正极材料的性能特点,讨论了当前正极材料的研究和发展状况.     

Fundamental scientific aspects of lithium ion batteries(Ⅺ)--Lithium air and lithium sulfur batteries

提高能量密度是可充放锂电池研发最重要的目标.近年来,锂硫电池与锂空气电池由于具有高的理论能量密度而受到广泛关注,这两种电池仍然面临较多的科学与技术问题,处于电池开发早期研究阶段.在本文中,重点介绍了锂空气电池的基本工作原理,基本结构组成,所面临的问题和两种特殊体系的锂空气电池, 同时简要介绍了锂硫电池.     

Fundamental scientific aspects of lithium ion batteries (Ⅸ)----Nonaqueous electrolyte materials

电解质是锂离子电池的重要组成部分,它起着在正负极之间传输Li⁺的作用.因此,电解质的研究与开发对锂离子电池来说至关重要,然而综合性能优异,满足不同应用的电解液并不容易开发.本文简介了非水液体电解质的发展历史和基本性质,然后分别从锂盐,溶剂和添加剂方面进行论述,最后介绍了离子液体,凝胶聚合物电解质和高电压电解质,认为未来锂离子电池电解质要解决的问题有:电解液和电池的安全性,提高电解质的工作电压,拓宽其工作温度范围,延长电池寿命和降低成本.     

Fundamental scientific aspects of lithium ion batteries(ⅫⅠ) —Electrochemical measurement

电化学测量方法在锂离子电池研究中有着广泛的应用,常用于电极过程动力学基本信息的测量。本文首先简述了电化学测量的基本原理、电化学极化、测量方法特点等,并讨论了常见的测量方法在锂电池基础研究中的应用,包括循环伏安,电化学阻抗谱、恒电流间歇滴定、电位弛豫技术。     

Fundamental scientific aspects of lithium batteries (V)----Interfaces

电池中固液界面的性质对锂离子电池充放电效率,能量效率,能量密度,功率密度,循环性,服役寿命,安全性,自放电等特性具有重要的影响.对界面问题的研究是锂离子电池基础研究的核心.本文小结了 锂离子电池电极表面固体电解质中间相(SEI)形成机理及对其组成结构的认识,介绍了近年来对锂离子输运机制,SEI膜改性研究以及透射电镜(TEM)及原子力显微镜(AFM)中力曲线等实验技术来分析SEI膜的形貌,厚度,覆盖度及力学性能等实验方法.     

Fundamental scientific aspects of lithium batteries (Ⅱ)--Defect chemistry in battery materials

在锂离子电池电极与电解质材料研究中,缺陷化学对于理解材料的物理化学性质,指导材料的理性设计与优化方面具有重要的意义.本文重点讨论了锂电池材料中缺陷形态的类型,热力学基础,缺陷的存在对材料性质的调制等方面的内容,讨论了小尺寸材料引起的电极电位偏离理想材料的问题.以锂离子电池中重要的正极材料LiFePO₄为例,结合第一性原理计算与原子级分辨的球差校正电镜技术,介绍了LiFePO₄中缺陷的生成与表征及对电子电导率的调制,对锂离子输运的影响,缺陷结构的可视化以及缺陷进一步演化导致的缺陷簇和超结构等方面的工作.     

Fundamental scientific aspects of lithium batteries (VI)--Ionic transport in solids

充放电过程中,锂离子需要在电极活性材料,电极与液态电解质接触界面产生固体的电解质层,全固态电池中的固体电解质以及导电添加剂,黏结剂,活性颗粒形成的固固界面传输.一般而言,固相内部及固相之间的离子传输是电池动力学过程中相对较慢的步骤,因此离子在固体中的传输是锂电池材料研究的重要基础科学问题.本文小结了固体离子学基础知识中关于离子在固体中的传输机制,驱动力,影响离子电导率的几种因素等方面的内容,简介了锂离子在正极,负极,固态电解质中的输运特性,讨论了内源锂和外源锂输运特性的差异以及尺寸效应对于离子输运性质的影响.     

Fundamental scientific aspects of lithium batteries (III) --Phase transition and phase diagram

相变是电池材料基础研究中的重要问题.对材料相变的准确认识,有利于合成制备过程中获得晶体结构与组成符合设计要求的目标材料.了解电解质中的相变可以知道其使用的安全稳定条件,利用其相变性质发展新的电解质材料.相的组分与相变趋势可以由相图简明直观地展示出来.本文小结了与锂离子电池相关的相变与相图研究.     

Fundamental scientific aspects of lithium batteries(Ⅻ)--Characterization techniques

表征技术的进步对于锂离子电池科学与技术的发展至关重要.一般希望获得锂离子电池材料及电池的广泛信息,包括化学组成,材料形貌,晶体结构,微观组织,表面结构,输运特性,力学特性,热学特性等.本文总结了锂电材料常用的表征技术及其研究现状与发展趋势,包括最近发展的具有高时间和空间分辨的表征手段,如原子力-拉曼光谱联用,原位扫描电镜,原位透射电镜,球差校正扫描透射电镜,扫描透射X射线成像,中子衍射以及二次离子质谱等.     

Fundamental scientific aspects of lithium batteries (IV) --Phase transition and phase diagram (2)

充放电过程中电极材料的相变与材料的储锂机制,储锂容量范围,电压曲线,储锂动力学,材料的体积变化以及吸放热等密切相关.获得材料在充放电过程中的相组成,相结构演化及相图,对于全面理解材料及其充放电行为,开发新的电池材料体系具有十分重要的意义.本文小结了脱嵌锂引起的相变,并介绍了锂电池中相图的计算和实验方法.     

Progress of inorganic solid electrolyte for lithium ion batteries

目前,商品化的锂离子电池电解液主要以碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯等有机溶剂为溶剂,在电池使用过程中,存在电解液分解、锂枝晶生成和漏液等问题,从而影响电池的稳定性和安全性。无机固态锂电池电解质具有热稳定性高、电化学性能稳定、与高电压正极材料相容性好、安全性高及环境友好等优点,是目前储能领域研究的一个热点。研究和开发具有高离子电导率的无机固态电解质是促进其在电池中应用的关键和难点,本文综述了几类目前研究较多的LiPON型、钙钛矿型、石榴石型、LISICON型电解质,重点关注了其在离子电导率方面的研究及应用进展。     

Calculation on energy densities of lithium ion batteries and metallic lithium ion batteries

锂电池是理论能量密度最高的化学储能体系,估算各类锂电池电芯和单体能达到的能量密度,对于确定锂电池的发展方向和研发目标具有重要的参考价值。本工作根据主要正负极材料的比容量、电压,同时考虑非活性物质集流体、导电添加剂、黏结剂、隔膜、电解液、封装材料占比,计算了不同材料体系组成的锂离子电池和采用金属锂负极、嵌入类化合物正极的金属锂离子电池电芯的预期能量密度,并计算了18650型小型圆柱电池单体的能量密度,为电池发展路线的选择和能量密度所能达到的数值提供参考依据。同时指出,电池能量密度只是电池应用考虑的一个重要指标,面向实际应用,需要兼顾其它技术指标的实现。     

Interpretation of anode material standards for lithium ion batteries

随着锂离子电池行业的兴起，其负极材料也得到了蓬勃发展。我国在锂离子电池领域所占据的市场份额仅次于日韩，已有多家负极材料厂商处于世界先进水平。为了促进锂离子电池负极行业的健康发展，我国从2009年开始就陆续颁布了相关标准，涉及原料、产品和检测方法，提出了各项参数的具体指标，并给出了相应的检测方法，对负极材料的实际生产和应用起到了指导性作用。本文介绍了这些标准的主要内容和要点，包括晶体结构、粒度分布、密度、比表面积、pH值、水含量、主元素含量、杂质元素含量、首次放电比容量和首次充放电效率。此外，本文还对今后的标准制定工作提出了部分建议。     

Research progress on Si/C composites as anode for lithium ion batteries

硅基负极材料具有比容量高、电压平台低、环境友好、资源丰富等优点,有望替代石墨负极应用于下一代高比能锂离子电池。但是硅的导电性较差,且在充放电过程中存在巨大的体积效应,极易导致电极极化、材料粉化、SEI膜重构、库仑效率低和容量持续衰减。硅和碳复合能很好地综合两者的优势,形成结构稳定、循环性好及容量高的负极材料。本文从不同维度的硅（SiNPs、SiNTs/SiNWs、SiNFs、Bulk Si）与碳复合这一角度,综述了硅碳复合材料在结构设计、制备工艺、电化学性能等方面的最新研究进展,并对未来的硅碳复合材料的研究工作进行了展望。     

Review of research on heat generation characteristics during charging and discharging of lithium ion batteries

电动车辆的性能和成本很大程度上取决于动力电池组的性能和使用寿命,而电池组的性能和使用寿命又受到电池单体产热的影响。研究锂离子电池充放电过程中的产热特性及影响因素,对锂电池的开发及使用具有指导意义。本文从环境温度、充放电倍率、电池材料、荷电状态和老化程度五个方面入手,综述了各因素对锂离子电池产热的影响。     

Fundamental scientific aspects of lithium batteries(I)--Thermodynamic calculations of theoretical energy densities of chemical energy storage systems

本文主要讨论电池的能量密度.基于热力学数据,根据能斯特方程,可以计算不同电化学反应体系的理论能量储存密度,从而了解化学储能体系理论能量密度的上限,了解哪些体系能够实现更高的能量密度,哪些材料具有更高的电压.     

Progress of electrolyte additives for high-capacity power lithium ion batteries

动力电池是新能源汽车的核心部件,而电解液是制约动力电池发展的关键。电解液一般由碳酸酯类溶剂、锂盐和添加剂组成,其性质对电池的高低温、倍率、寿命等性能有显著影响。高比能动力电池所需电解液的主要开发策略是利用功能添加剂在电池正、负极同时形成稳定的保护膜,同时稳定界面。文章回顾了近年来匹配高压正极材料和高容量硅碳负极材料所需添加剂的组成和基本功能,论述了添加剂作用机理和发展趋势,认为300 W·h/Kg高能量密度电池电解液的关键在于开发新型多功能添加剂。     

Safety test and evaluation method of lithium ion battery

对锂离子电池的机械滥用、热滥用和电滥用安全性测试与评价方法的原理进行了分析,对具有代表性的锂离子电池安全测试标准GB/T 31467.3/31485和SAE J2464/UN 38.3的相关试验方法进行了对比分析。应用X射线三维CT技术,测试了安全性试验前后锂离子电池内部结构的变化,对X射线三维CT应用于锂离子电池安全性测试分析的前景进行了展望。为锂离子电池安全失效模式分析指明了方向。     

全固态锂离子电池关键材料研究进展

全固态锂离子电池采用固态电解质替代传统有机液态电解液,有望从根本上解决电池安全性问题,是电动汽车和规模化储能理想的化学电源。为了实现大容量化和长寿命,从而推进全固态锂离子电池的实用化,电池关键材料的开发和性能的优化刻不容缓,主要包括制备高室温电导率和电化学稳定性的固态电解质以及适用于全固态锂离子电池的高能量电极材料、改善电极/固态电解质界面相容性。本文以全固态锂离子电池关键材料为出发点,综述了不同类型的固态电解质和正负极材料性能特征以及电极/电解质界面性能的调控和优化方法等,阐述了未来全固态锂离子电池关键材料的发展方向以及界面问题的解决思路,为探索全固态锂离子电池产业化前景奠定基础。