有機電極材料在鋰離子電池中的應用前景分析

2020-12-14 電子發燒友

有機電極材料在鋰離子電池中的應用前景分析

佚名 發表於 2020-04-20 14:12:43

近日,中國科學院院士、南開大學教授陳軍團隊受《自然綜述—化學》編委會邀請,發表題為《有機電極材料在鋰電池中的實際應用前景分析》的綜述論文,對有機電極材料的結構特徵、作用機理、構效關係等進行了深入闡述,著重分析了有機電極材料的實際現狀和應用前景,有助於學術界和工業界充分了解有機電極材料的實際應用潛力和待解決的問題。

據介紹,鋰離子電池目前廣泛應用於各類可攜式電子設備,在人類社會的信息化、移動化、智能化、社會化等方面凸顯作用,並有望在電動汽車和智能電網等領域大規模應用。商品化鋰離子電池的正極材料主要是無機過渡金屬氧化物和磷酸鹽,如LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4和LiNixMnyCozO2等。其中過渡金屬資源大都不可再生,電池回收利用技術複雜、成本高,從長遠的角度來看,可能會面臨資源短缺等難點問題。因此,可循環再生的電極材料開發已成為電池領域的學術前沿和重大需求。

由於含有豐富的碳、氫、氧等元素,並顯現出可再生、綠色環保、低成本和高容量等優點,近年來有機電極材料受到了廣泛的關注。有機電極材料一般可以從植物中直接提取或者以生物質材料為原料通過簡單的方法製備得到,例如玫棕酸二鋰材料可以通過中和反應從天然的肌醇得到(肌醇主要以六磷酸形式存在於玉米等植物中);此外,從蘋果中廣泛存在的蘋果酸出發,利用縮聚反應可製得電化學性能優異的聚醌材料。在有機材料提取製備、電池裝配、使用和回收過程中產生的CO2又可以被植物吸收利用,因而體現了很好的循環和可再生性。

圖1. 有機電極材料的循環再生過程。

但與此同時,有機電極材料也面臨著在電解液中溶解度大、導電性差、密度低等難點問題,其材料特徵、作用機理、構效關係等亟待深入理解。

有機電極材料的發展歷史可追溯到上世紀六十年代末,當時羰基化合物首次被報導用於鋰一次電池。近十年來,越來越多的有機電極材料被開發出來應用於電池,不同種類的有機電極材料具有不同的活性中心(官能團)。除了羰基化合物外,目前報導的有機電極材料還包括導電聚合物、有機硫化物、有機自由基、亞胺類化合物、腈類化合物、偶氮化合物和具有超嵌鋰能力的化合物等。從反應過程中電荷變化情況來看,可將有機電極材料大致分為三種類型,分別是n型、p型和雙極型。n型材料的氧化還原反應發生在中性分子和對應的負電荷狀態離子之間,其平衡電位一般在0–3 V(vs. Li+/Li),根據其電位的不同可作為鋰離子電池正極或者負極材料;p型材料的氧化還原反應發生在中性分子和對應的正電荷狀態離子之間,其平衡電位一般較高,所以經常作為鋰離子電池正極材料;雙極型分子則兼具有n型和p型材料的性質。

圖2. 有機電極材料的發展歷史。

有機電極材料具有結構可控調特點。根據不同的分子結構和反應電位,有機材料在實際應用中可作為正極或者負極活性材料,大致有三種可能的電池構型(圖3)。第一種是以低電壓的中性n型有機材料(如對苯二甲酸鋰)作為負極、含鋰材料(如LiCoO2)作為正極,這種電池和目前商品化鋰離子電池類似,也是需要先進行充電過程。第二種是以中性的p型有機材料(如氮氧自由基)作為正極,此時負極材料可以含鋰或者不含鋰,這種電池是雙離子電池,需要先進行充電,在充電過程中p型正極材料失去電子並結合電解液中的陰離子。第三種則是以高電壓的中性n型有機材料(如苯醌)作為正極、含鋰材料(如金屬Li)作為負極,這種電池需要先放電,目前廣泛研究的大部分羰基化合物都是用於這種情形。

圖3. 有機電極材料可能的實際應用場景。

為了從不同層次和角度系統分析有機電極材料在鋰電池中的實際應用前景,陳軍團隊的綜述論文首先討論了有機電極材料本身的各種關鍵性質,包括材料的能量密度、功率密度、循環壽命、密度、電導率、能量效率、價格、資源可用性和熱/化學穩定性等。其中,能量密度、功率密度和循環壽命是材料的基本電化學性質,這些性質會受到材料密度和電導率的影響,其他因素如穩定性和價格等也是必須要考慮的問題。

圖4. 基於典型有機和無機電極材料的鋰電池體系的性能和成本估算。

在實際電池應用的角度,該論文也分析了電極中活性物質的單位面載量和電解液用量等因素對全電池性能的影響。最後,利用軟體對以有機材料為正極或者負極的實際鋰電池體系進行了模擬,得出了相關電池體系的性能(如整體能量密度、功率密度)和價格等參數。

文章最後指出,未來相關研究應該著重關注以下幾個方面:一是需要關注有機電極材料的導電性和密度,這與實際電池的性能和成本等密切相關;二是應儘可能在全電池中、且接近實際應用條件下測試有機電極材料的性能;三是發展可商品化的含鋰負極或者開發鋰化的有機正極,這有利於構建和目前實際鋰離子電池類似的電池體系;此外,如何大規模、低成本生產高性能有機電極材料也需要探究。

責任編輯:gt

打開APP閱讀更多精彩內容

聲明:本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內容圖片侵權或者其他問題,請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴

相關焦點

  • 陳軍院士團隊Nature子刊撰文分析有機電極材料在鋰電池中的實際...
    南開新聞網訊(記者 馬超)近日,中國科學院院士、南開大學教授陳軍團隊受Nature子刊《自然評論·化學》編委會邀請,發表題為「有機電極材料在鋰電池中的實際應用前景分析」的綜述論文。該文章深入闡述了有機電極材料的結構特徵、作用機理、構效關係等,著重分析了有機電極材料的實際現狀和應用前景,有助於學術界和工業界充分了解有機電極材料的實際應用潛力和待解決的問題,有望激發更多應用導向的研究工作,進而促進未來有機電池的商品化應用。文章第一作者為盧勇博士,通訊作者為陳軍院士。
  • 石墨烯材料在鋰離子電池中的應用
    摘要:伴隨著科技的發展和移動終端的全面普及,電動交通工具的廣泛推廣和資源的存儲利用等現代科技都與電池技術息息相關。鋰離子電池是作為儲能領域的主流技術,有著極高的發展前景。石墨烯憑藉其自身的高電導率、超大比表面積和高化學穩定性等獨特、優異的物理和化學特性而在鋰離子電池中佔據重要地位,被廣泛使用於鋰離子電池的正負極材料中。
  • 碳納米管來製造矽陽極鋰離子電池,開拓鋰離子電池電極材料的使用
    打開APP 碳納米管來製造矽陽極鋰離子電池,開拓鋰離子電池電極材料的使用 佚名 發表於 2020-04-08 16:24:27
  • 中子成像技術:追蹤電池電極中的鋰離子!
    導讀據美國維吉尼亞大學官網近日報導,該校研究人員正在橡樹嶺家實驗室採用中子成像技術,探查鋰離子電池並深入理解電池材料和結構的電化學特性。背景到2023年,鋰離子電池有望擁有470億美元的市場價值。鋰離子電池已經廣泛應用於諸多領域,因為它們可提供相對較高的能量密度(存儲容量),較高的工作電壓,較長的保存期限,較少的「記憶效應」。
  • 故都科技:石墨烯材料在鋰電池中的應用與前景!
    通過對石墨烯結構、性能的分析,簡要地分析總結了石墨烯在鋰離子電池正極材料、負極材料等方面的應用,從而分析目前石墨烯材料的優勢發揮和重點的研究方向,並對石墨烯在鋰離子電池領域的應用前景進行一定的展望。
  • 鋰離子電池的特點_鋰離子電池的發展前景
    鋰離子電池也有一些不足,主要表現在以下幾個方面:   1.成本高。主要是正極材料LiCoO2的價格高,但按單位瓦時的價格來   計算已經低於鎳氫電池,與鎳鎘電池持平,但高於鉛酸蓄電池。   2.必須有特殊的保護電路,以防止過充。
  • 厚電極鋰離子電池的容量衰退機理研究
    `通過提高活性材料的負載量來製備厚電極,是其中一種提升鋰離子電池體積/比能量密度的實用方式。然而,厚電極的使用會出現電化學性能的嚴重惡化,如容量保持率低,功率性能差。於此,三星團隊研究了負載量高達28mg/cm2的LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2正極材料在循環過程中的衰減行為。結果表明對於厚電極而言,電荷轉移限制逐漸受鋰離子擴散的控制,而不是電子電導率。
  • 鋰離子電池厚電極的容量衰減機制
    現在高續航新能源車的需要迫使電池的能量密度越來越高,使用具有高負載密度活性材料的厚電極是最實用的策略之一,然而,它們的長循環使用過程中,卻伴隨著電化學性能的嚴重衰減,功率性能得不滿足,容量保持率也越來越差,那究竟什麼原因是導致性能變差的瓶頸呢?
  • 交流阻抗在商業鋰離子電池中的應用
    交流阻抗在商業鋰離子電池中的應用交流阻抗是一種十分有效的鋰離子電池無損檢測方法,在鋰離子電池的設計和生產過程中得到了廣泛的應用,通過等效電路的擬合我們可以獲得電池內部的界面阻抗特性。作為一種強大的測試工具,EIS可以用於對電池壽命預測,健康狀態評估等方面。
  • 什麼原因導致鋰離子電池爆炸?我會給你一個詳細的分析
    鋰離子電池現在在我們使用的電子產品中得到了廣泛的應用,從以前的鉛電池到現在的鋰離子電池,不僅電池的體積變小了,而且可以儲存的電量也越來越多,給我們的生活帶來了很大的便利。但它給我們帶來了方便,同時也帶來了一些安全隱患,消息偶爾也有一些關於鋰電池爆炸的報導,那麼為什麼鋰電池爆炸,我們今天將詳細分析原因。鋰離子電池原理鋰離子電池主要由正極,負極,隔膜和電解液組成,正負極層緊密軋制在一起,層與層之間用絕緣體隔開,正負極浸入電解液中..
  • 石保慶:軟包裝材料對聚合物鋰離子電池的影響
    1996年,聚合物鋰離子電池在實驗室開發成功,鑑於聚合物鋰離子電池具有鋰離子電池的幾乎所有優點,在電池的重量、形狀及安全性等方面具有更好的優勢,因而也具有更廣泛的應用領域,立即在世界電池界引起了轟動,被譽為二十一世紀的化學能源。世界各國,特別是日本和美國的財閥投巨資進行研究和產業化。廈門寶龍工業是中國首家從事聚合物鋰離子電池生產的企業,目前的電池生產規模及所應用的軟包裝技術水平均與最發達國家相當。
  • 【復材資訊】碳納米管在鋰離子電池中的應用
    碳納米管的應用也是十分廣泛,包括電子領域(電晶體、傳感器等)、生物醫療領域、航空航天(研究用太空飛行器鏡片、複合材料增強體、功能材料)、軍事領域(生化防護服和地雷、爆炸物探測器)、能源領域(超級電容器、鋰離子電池和太陽能熱光伏設備)以及雷射器等。今天我們就來了解一下碳納米管在鋰離子電池中的應用。
  • 鋰離子電池的交流阻抗分析方法
    鋰離子電池電池的主要反應過程可以分為電子傳導、Li+在電解液內的擴散、Li+在電極/電解液界面處的電荷交換和固相擴散等過程,通常這些過程會混雜在一起,難以進行區分,而交流阻抗為區分這些阻抗提供了很好的手段。
  • 下一代鋰離子電池負極材料:納米氧化鎢基材料
    寧德時代主營業務包含動力鋰離子電池、儲能鋰離子電池等,並通過參股方式布局鎳礦、鋰礦資源,在鋰離子電池領域形成一體化產業鏈。要說,動力電池也真不愧是新能源電動汽車的「心臟」——在整車成本中佔三至四成的比例。所以,也難怪動力電池是潛在市場達到數千億元的新興產業。
  • 日本研發硬碳電極材料制高容量鈉離子電池
    高成本效益的可充電電池幾乎是所有可攜式電子設備的核心部件,而此類電子設備在現代日常生活中隨處可見。此外,可充電電池還是電動汽車以及可再生能源系統的必備部件,也是各種醫療設備的支持者,並且作為電子傳感器和攝像頭的能源,促進了各領域的研發工作。因此,很多人都在投入大量的精力研發更好、更便宜的可充電電池。
  • 鋰離子電池熱性能評價:電池材料導熱係數測試方法研究
    摘要:本文針對鋰離子電池材料導熱係數測試方法,評論性概述了近些年的相關研究文獻報導,研究分析了這些導熱係數測試方法的特點,總結了電池材料導熱係數測試技術所面臨的挑戰,從熱分析儀器市場化角度提出了迎接這些挑戰的技術途徑。
  • 哪些原因會導致鋰離子電池爆炸?帶你詳細分析其中原理
    鋰離子電池現在已經廣泛的使用在我們所用的電子產品中,從以前的鉛蓄電池到現在的鋰離子電池,不僅電池的體積變小了,而且能夠儲存的電量也變多了,給我們的生活帶來了非常大的方便。但給我們帶來便利的同時,也帶來一些安全隱患,新聞中偶爾會有一些關於鋰電池爆炸的報導,那麼鋰電池為什麼會爆炸,我們今天就來詳細分析其中的原因。
  • 固態電池什麼時候可以商用_全固態電池電極材料
    另外,能量密度也不能滿足大型電池的要求。對於電極材料的研究主要集中在兩個方面:一是對電極材料及其界面進行改性,改善電極/電解質界面相容性;二是開發新型電極材料,從而進一步提升固態電池的電化學性能。   正極材料   全固態電池正極一般採用複合電極,除了電極活性物質外還包括固態電解質和導電劑,在電極中起到傳輸離子和電子的作用。
  • 鋰離子電池領域中國實力幾何?
    在此次由《國家科學評論》(National Science Review, NSR)編委成會明主持的論壇中,幾位電池領域的專家充分探討了鋰離子電池面臨的瓶頸和發展方向,分析和暢想了下一代電池的前景與應用,並對我國電池研究與產業的現狀進行了梳理。
  • 鈦酸鋰電池將會是一種理想的嵌入型電極材料
    (文章來源:百家號) 負極材料的能量密度是影響鋰離子電池能量密度的主要因素之一,鈦酸鋰作為新型鋰離子電池的負極材料由於其多項優異的性能而受到重視。所以鈦酸鋰為負極的鋰離子電池的安全性是目前鋰電池生產見到的各種類型的鋰離子電池中安全性最高的。 新型負極材料等的研究與應用也開始受到業內關注,鈦酸鋰電池新型負極材料是一個非常重要的方向。鈦酸鋰具有一些其它負極材料無可比擬的優點。作為動力鋰離子電池的負極材料,有著巨大的研究價值和商業應用潛力。