Progress in magnetic resonance research of important cathode materials in lithium ion batteries

锂离子电池得到了快速发展，并改变了我们的生活。锂离子电池正极材料的研究是提高电池性能的关键；而理解正极材料的性能与结构之间的关系、阐释正极材料的电化学反应机理（尤其是性能衰减与失效机理）有助于提高材料的能量密度和功率密度。磁共振技术（含核磁共振和顺磁共振）在过去三十多年的研究中不断进步，逐渐成为研究正极材料构效关系的关键技术之一。本文总结了几个重要的已经商业化的正极材料（LiCoO₂、NCA、NMC和LiFePO₄）的磁共振研究进展，展示了核磁共振、顺磁共振在正极材料构效关系研究中的重要作用；尤其值得一提的是原位技术的发展在电化学反应机理中逐渐显示出其重要性。本文有助于了解磁共振技术在电池材料研究中的重要价值，并进一步推动磁共振技术的发展。     

Research progress on thermogenic characteristics of lithium ion batteries

锂离子电池产热特性直接影响着其实际应用中的性能（如容量、内阻和功率等）和热安全问题,一直是消费者最关心的方面。为了更好地指导锂离子电池的设计和使用策略的制定,使其能够安全和高效地应用于生产和生活,深入研究锂离子电池在各种工况条件下的产热特性是十分重要和必须的。主要从实验手段和模型仿真方法两个方面来分别对锂离子电池热问题研究进展进行全面详细地总结和分析,并指出两种不同研究方法的优缺点。因此,在以后的研究中,科研工作者应该将实验手段和模型仿真方法结合起来研究锂离子电池的热问题。     

动力锂离子电池正极材料磷酸铁锂的研究进展

磷酸铁锂具有价廉、环保、热稳定性好等优点,是理想的锂离子动力电池正极材料之一,因此受到行业的广泛关注。本文阐述了磷酸铁锂的结构和性能特点,介绍了磷酸铁锂的制备方法和研究新进展,基于目前研究现状讨论了存在的问题。     

储能锂离子电池关键材料研究进展

在现有商品化二次电池中,锂离子电池的比能量最高、循环性能最好,而且因其电极材料选择的多样性,作为储能电池具有广阔的应用前景。锂离子电池发展面临一些问题：比能量、比功率和循环寿命有待提升,安全性还没有可靠保证,制造成本过高,等等。针对这些问题,人们从电池材料选择、电池结构设计、电池制备装配与工艺、电池管理系统等方面探索解决方案。本文结合作者所在研究团队开展的工作,介绍锂离子电池关键材料（正极、负极和电解质）的研究进展。     

Materials prepared for lithium ion batteries by mechanochemical methods

Since the birth of the lithium ion battery in the early 1990s a lot of methods has been tried to prepare materials with better performance and/or lower cost. In comparison with other methods, mechanochemical methods are advantageous because they are based on simple processes, show high efficiency, low energy consumption and cost They are widely applied to prepare materials for lithium ion batteries such as cathode materials, anodic ones and solid electrolytes. The latest progress on these aspects is reviewed in this paper including the effects of mechanochemical methods and mechanisms in improving electrochemical performance. In addition, some problems concerning some materials and further directions are pointed out.     

Experimental and optimization of material synthesis process parameters for improving capacity of lithium‐ion battery

New methods for synthesis of active materials have been developed to improve capacity and cycle life performance of lithium‐ion batteries. Past studies have focused on routes of development of materials and new processes, which might not be economical for large‐scale production. In this regard, this study examines a widely employed carbothermal reduction technology for the synthesis of lithium‐iron phosphate (LiFePO₄/C) and investigates effects of process conditions during this synthesis on final battery performance. An experimental combined genetic programming approach is used to model the effects of crucial process conditions (sintering time, the carbon content, and the sintering temperature) on the discharge capacity of the assembled battery. Experiments are conducted to collect the discharge capacity data based on varying LiFePO₄/C synthesis conditions, and genetic programming is employed to develop a suitable functional relationship between them. The results show that the battery discharge capacity is controlled significantly by adjusting sintering temperature and carbon content, while the effect of sintering time is found to be insignificant. Further, the interaction effect of the sintering time and carbon content is much more obvious than that of the sintering time and the sintering temperature. The findings from the study pave the way for the optimum design of the synthesis process of LiFePO₄/C for a higher battery performance.     

Based on the materials genome of all solid state lithium ion battery realized national project

2011年6月美国启动“材料基因组计划”（Materials Genome Initiative,MGI）,变革了材料的研究与开发方式,大大加速新材料的发现,提高了材料从发现到应用的速度。我国于2016年启动首批 “材料基因工程关键技术与支撑平台重点专项”国家重点研发计划,其中,“基于材料基因组技术的全固态锂电池及关键材料研发”于2016年8月获得审批通过正式立项。北京大学深圳研究生院潘锋教授为负责人联合国内11家单位申请该项目并获得资助。该项目将开展材料基因组高通量计算、高通量制备和高通量检测等技术研究,并运用材料基因组技术指导和加速全固态锂离子电池及关键材料的研发,开发全固态电池样机,从根本上解决锂离子电池安全性问题。     

Reviews of selected 100 recent papers for lithium batteries (Aug. 1,2018 to Sep. 30,2018)

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以“lithium”和“batter*”为关键词检索了Web of Science从2018年8月1日至2018年9月30日上线的锂电池研究论文,共有3283篇,选择其中100篇加以评论。正极材料主要研究了层状材料的结构演变及表面包覆对层状和尖晶石材料循环寿命的影响。高容量的硅、锡基负极材料研究侧重于纳米材料、复合材料、黏结剂及反应机理研究,石墨负极的研究侧重于研究微结构对性能的影响,固态电解质、锂空电池、锂硫电池也有多篇,金属锂负极和全固态电池的研究论文增加很快。理论模拟工作包括材料体相、界面结构和输运性质,除了以材料为主的研究之外,针对电池的原位分析、电池模型的研究论文也有多篇。     

Correlating uncertainties of a lithium‐ion battery – A Monte Carlo simulation

Safety issues raised from a lithium‐ion battery during operation can be attributed to the variation of its temperature, which is, in turn, associated with the uncertainties in the parameters such as material properties and operating conditions. In this study, a Monte Carlo simulation of a mechanistic lithium‐ion battery model is conducted to capture the probabilistic nature of uncertainties in the parameters and their relative importance to the temperature of a lithium‐ion battery cell. Sensitivity analysis is statistically performed, and the varied parameters are ranked according to their contributions to the variation of the battery temperature. Statistical analysis is also conducted on the distribution of the temperature and deviation from its normality has been identified. These analyses can provide valuable information for manufactures in the area of resource partitioning for quality and safety control. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

Research progress of carbon-based lithium ion capacitor

新能源体系的建设和电子设备的飞速发展对储能器件提出了更高的要求,即要求其同时兼具较高的能量密度和功率密度。锂离子电容器（LIC）是一种基于锂离子电池（LIB）和超级电容器（EDLC）双重储能机制的储能器件,兼具超级电容器良好的功率特性和锂离子电池较高的能量密度,有望应用于混合动力汽车、轨道交通、智能电网、能源工程等领域。从锂离子电容器未来的产业化角度出发,炭材料因为资源丰富、制备简单和廉价易得是锂离子电容器的首选材料。本文综述了活性炭等正极炭材料、石墨等负极炭材料、电解液以及锂离子电容器工艺方面的研究进展,并对锂离子电容器未来的发展方向和发展前景作出了展望。     

基于加速寿命试验的锂离子电池可靠性分析方法

为了有效地提高锂离子电池寿命评估的准确性,延长储能系统在配电网中运行年限,文章提出了基于加速寿命试验的锂离子电池可靠性分析方法。综合考虑不同放电深度对锂离子电池寿命影响,建立了锂离子电池的寿命衰退模型;确定了荷电状态(SOC)与健康度(SOH)的关联特性关系;提出了基于逆幂率方程的储能系统加速寿命试验方法;基于情景分析法对锂离子电池的可靠性进行了分析。研究结果表明,文章所提出的试验方法能够准确地对不同运行状态下的锂离子电池储能系统进行可靠性评估,保证储能系统并网运行过程中的调控准确性。     

Research progress in blending modification cathode materials for lithium ion batteries

本文简述了国内外锂离子电池正极材料共混改性的研究进展。正极材料是锂离子电池重要组成部分，是决定锂离子电池能量密度和成本的关键因素。共混改性具有制备工艺简单、材料性能一致性容易控制、综合成本较低等优点，在钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料电池制造中得到应用。国内外通过对正极材料共混改性机理研究，发现共混改性是材料改善电化学性能、降低成本、提升安全性能的有效途径，并有望发展成为依据材料特性指导锂离子电池高性能电极设计的重要方法。同时在正极材料共混改性方面亟需加强共混材料物性匹配、充放电机制选取、共混工艺研究，该方法也为高镍、富锂锰基等新一代正极材料工业化应用提供了工艺参考。     

Research progress of carbon-based sodium-storage anode materials

钠离子电池具有资源丰富、成本低廉、环境友好等优势,被认为是最有可能取代锂离子电池成为大规模储能应用的理想电源之一。钠离子电池的性能主要决定于储钠正负极材料,而储钠负极材料是其中一个重要的组成部分。在目前所研究的储钠负极材料中,碳基负极不仅具有较低的嵌钠平台、较高的容量及好的循环稳定性,还具有资源丰富、制备简单等优点,是目前最具应用前景的储钠负极材料。本文综述了石墨、石墨烯、软碳和硬碳等几种碳材料的储钠行为及研究进展,探讨了碳材料储钠性能与微观结构的内在联系,进而阐明了硬碳材料作为最为理想的储钠碳负极材料的应用优势。本文还探讨了目前颇具争议的两种硬碳储钠机理—“嵌入-吸附”和“吸附-嵌入”,并对硬碳材料的发展前景作出了展望。     

Applications of atomic force microscopy in lithium ion batteries research

锂离子电池由于具有高能量密度、高循环寿命、安全等诸多优点,是现代生活中最受欢迎的便携式电源,有着广阔的应用前景。为了充分发挥锂离子电池的潜力,推进其实用化进程,需要深入研究电极反应历程。作为锂离子电池研究的得力助手,原子力显微镜（AFM）能通过其针尖原子与电极表面原子之间的相互作用,实时检测电极表面的微观形貌,在纳米尺度上提供电极表面的物理化学信息,为电极材料和电解液的优化改性提供实验依据。本文综述了AFM在锂离子电池研究中的最新应用进展,包括电化学反应条件下电极材料的形貌变化、纳米力学性能和电学性能等,说明AFM将会进一步推动锂离子电池的研究进展。     

Brief analysis the safety of solid-state lithium ion batteries

锂二次电池因其具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、无污染等优点,使得其在便携式消费电子产品、电动汽车、能量储存等领域具有广泛的应用前景。目前,锂二次电池的能量密度和安全性是当今世界的研究热点。但对于传统液态电解质的锂离子电池而言,尽管从材料、模组、电源管理、热管理、系统设计等各个层面均采取了多种改进措施,然而高能量密度电芯的安全性问题依然突出,热失控问题难以彻底避免。因此,为了提高锂电池的安全性,发展理论上不易燃的固态锂电池是解决锂电池安全问题的必由途径。本工作比较了传统液态锂离子电池与固态锂电池结构特征,总结了其各自优缺点,进一步深入剖析了传统液态锂离子电池安全问题产生的根本原因,提出了解决锂离子电池安全性问题的最佳方案,并通过对自主研发的系列容量固态锂（离子）电池的安全性能进行测试,证实了固态锂电池的高安全特性。     

锂金属参比电极稳定性研究

锂离子电池商业化应用已有30多年,但目前的电池性能仍不能满足社会发展的需求。为此,须不断开发高性能的电池材料。电化学测量是电池材料开发不可或缺的关键技术。锂金属电极是锂离子电池电化学测量中最常用的参比电极,其电位稳定性将影响电化学测量结果的准确性。报道一种能提高锂金属参比电极电位稳定性的锂金属表面处理方法。将有机锌盐和氟代碳酸酯的混合溶液滴加在锂金属表面,通过锂金属与溶液组分的反应,在锂金属表面形成一层含锌锂合金和氟化锂的混合界面膜,可降低锂溶解/沉积过电位。处理得到的锂金属电极在Li//Li对称电池中用1 mA/cm2的电流及1 mA·h/cm2的容量恒电流连续充放电,该对称电池的电压稳定时间是未处理电池的2倍以上。这种锂金属电极表面处理方法可提高电极材料电化学性能测量的稳定性,有利于锂离子电池新材料的开发。     

Review of in situ transmission electron microscopy studies of battery materials

本文总结了原位透射电镜在电池研究领域的一些重要研究进展。虽然经过多年的研究,但是电极材料以及其与电解质界面（SEI）在充放电过程中结构、形貌、成分的变化过程还不清楚,以上结构演化与电池性能的相关性更是了解甚少,急需要设计一种新的实验技术可以在微观尺度上对其变化进行观察,原位透射电镜技术正是为了满足这样的需求而设计的。原位电镜拥有高时空分辨率和能量分辨率,可实时观察各类纳米电极材料及SEI在充放电过程中的微观变化。本文首先讨论在透射电镜中组装纳米电池的实验方法,然后讨论了应用此技术在研究锂离子电池、金属空气电池等领域的一些重要研究进展,最后对应用原位透射电镜技术研究电池的未来发展方向进行展望。原位透射电镜技术可以直接和实时观察电极材料和SEI在电化学反应中的微观变化行为,这对于深入了解电池失效机理和设计高性能电池具有重要指导意义。     

动力电池及充电基础设施技术发展对电动汽车能量补给方式的影响研究

电动汽车能量补给有两种典型模式—电池充电和电池更换,选择何种模式与动力电池的尺寸重量、能量密度、制造成本、电池管理系统及充电设施均有着密切的联系。对目前在国内外电动汽车上应用最广泛的磷酸铁锂和三元材料锂离子电池的发展水平进行了描述,同时分析了电动汽车充电和换电两种模式对电动汽车动力电池及充电基础设施等因素的要求,提出了电动汽车能量补给在何种条件下适合采用充电或换电模式的结论。     

Subspace‐based modeling and parameter identification of lithium‐ion batteries

For reliable and safe operation of lithium‐ion batteries in electric vehicles, the monitoring of state‐of‐charge and state‐of‐health is necessary. However, these internal states cannot be measured directly, which are usually estimated through model‐based techniques. Therefore, an accurate application‐oriented battery model is of significant importance. The purpose of this paper is to present a novel method on battery modeling and parameter identification. In this work, a state‐space model with clear mathematical and electrochemical meanings is proposed on the basis of the electrochemical basics of lithium‐ion batteries. The frequency‐domain characteristics of the lithium‐ion batteries are also investigated. On the basis of the frequency analysis, an identification test profile that can excite the dynamic characteristics of the battery fully and persistently is proposed. A subspace‐based algorithm is then adopted to identify the parameters of the battery model. The performance and robustness of the estimated model are validated through some experiments and simulations. The validation results show that the proposed method can achieve an acceptable accuracy with the maximum error being less than 2%. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。