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充电电池

电池技术的口号是渐进的,而不是革命性的。但即将出现的新技术会打破这种模式吗?

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在当今的尖端技术环境中,很少有技术很难找到新的性能水平。电池技术就是其中之一。除了少数实验性产品外,电池及其性能指标都相对平稳。

当然,已经取得了一些进展。但与晶体管、内存、I/O甚至电源管理等其他技术相比,电池技术的进展缓慢,而且只是渐进的。此外,多年来甚至没有出现任何新的电池技术。

电池研究很难止步不前。相反,电池领域的研究正在扩大。随着万物联网的出现,对高密度、微型便携式电源的需求将急剧上升。对高密度、小尺寸可充电电池的需求将是许多新IoE设备的最大挑战之一,如尘粒、互联网灰尘和远程微型传感器。

然而,由于可充电电池的物理指标,进展仍然缓慢。因为它们是离子型的,依赖于化学反应,所以可以使用的材料和充电过程都有一定的限制。

由于我们真的只知道将成为IOE的一部分的一些广泛的设备的指标,因此在这个阶段,试图用设备交叉制表电池技术将更多地是预后的运动,而不是现实的期望。因此,本文将专注于可能出现随着IOE展开的电池技术,包括锂离子,锂 - 硫,镁离子和镁硫。什么技术子集将找到它进入哪些设备保留的未来文章的方法。

虽然电池跨越了许多不同的技术,从碱性电池,锌电池,汞电池,铅酸电池,镍镉电池,镍氢电池,到各种口味的锂,甚至是生化电池,但最感兴趣的技术将基于离子。(作为参考,附录一是一个列出了更常见技术特征的图表。)

电池技术101
所有的电池化学和技术,无论是初级的还是次级的,本质上都是化学的,这就是电池产生电力的方式。简单地说,电解质是将阳极和阴极结合起来的介质,它完成了电流。当电解质中的两个或更多离子与阳极结合时,阳极经历氧化反应。反应释放一个或多个电子。

同时,当离子、阴极物质和自由电子结合时,阴极发生还原反应。基本上,阳极反应产生电子,电子被阴极吸收,产生电(见图1)。

电池图 -  SNE研究
图1:锂离子电池截面。

锂离子(Li-ON)的通用化学反应公式如下:

正电极处的反应前半部分为:
民用

在负板处的反应的后半部分是:
formula2

这些反应将与任何离子过程相似。当然,对于切向材料,式改变剂将改变。

这些公式是该过程的数学表示。简而言之,它们调节锂离子是从阳极到阴极的阳离子,其中它被电离形成Li,并拾取一个电子(Li +)。电解质可以变化,但通常在有机溶剂载体中由锂盐(Lipf ^ 6,Libf ^ 4,LiClO ^ 4)组成,通常是乙醚。阳极通常是碳如石墨。阴极通常是氧化钴(LiCoO 2)。该配置具有3.6V的固有电压,这是锂电池的参考电压。

锂技术的优势
由于一些IoE设备的极限(超轻、小型和可移动),电池技术将不得不采取新的方向。高能量密度、超小型和长寿命是这些设备的三个主要要求。

幸运的是,在过去的几年里,大量的资源被投入到电池的开发中。结果正在显现。当它们中的大多数还在绘图板上时,有些已经制作了原型。在这一点上,似乎未来五年内会出现一些真正的进步。

提高锂离子棒
锂离子阵营在绘图板上有一些有趣的发展,因为锂离子电池不会很快消失。最大的挑战在于这种电池技术的关键因素——容量和充电率,以及如何提高这些因素。

一种新颖的方法承诺提高锂离子充电寿命的一个数量级,并增加容量和周期时间,通过解决电荷密度和充电率。如果成功,改善这些参数有可能显著增加电池寿命和缩短充电周期。这意味着电池可以使用更长的时间,充电更快。另一个好处是可以减少单元占地面积,使它们更接近还在设计阶段的微型IoE设备。

在当今的可充电锂电池中,制造阳极的碳基石墨烯片可以将六个碳原子与一个锂原子结合起来。多年来,这一直是标准的阳极材料。

一种新的方法是用替代材料来提高这一比例。此外,锂离子沿石墨烯片向石墨烯片之间的剩余区域的移动也存在异常。这两个参数是容量和充电率的主要限制因素。

实验用硅取代了石墨烯。硅可以把四个碳原子和一个锂原子结合起来。虽然这看起来可能违反直觉,但这并不是因为硅原子比碳原子大。数学证明了这一原理,这意味着从理论上讲,硅阳极能够储存的能量是石墨(含有多层石墨烯)的10倍以上。然而,硅有一个小问题——它的延展性太强,在充电过程中会膨胀和收缩。这个过程很快就会破坏硅,使电池失效。所以当硅解决了第一个问题,即容量时,它被硅的不稳定性所否定。

为了解决这个问题,一种将硅放在石墨烯薄片之间的新方法已经被开发出来。这两种材料的结合使得更多的锂离子在电极上积累,也稳定了硅。

第二种方法是在石墨烯上制造微小的平面缺陷(洞),这样离子就可以穿过石墨烯而不是沿着它移动。这样,更多的离子更快地到达阳极,缩短了充电时间。这些技术的结合增加了能量密度,减少了硅碎片的负面影响,并减少了充电时间。

这是正在进行的提高锂离子性能的研究的一个例子。在阴极技术和电解液方面也有类似的改进。此外,纳米管技术有望取得进一步进展,但这仍处于实验阶段。

锂离子的衍生品

锂硫。锂硫(Li-S)技术是可充电锂中最令人兴奋的发展领域之一。

锂硫电池有可能让锂离子技术相形见绌。电池的金属氧化物成分一直备受关注。方向是用硫。硫价格便宜,储量丰富,原子重量不到钴的一半。在给定体积下,它的锂离子含量是氧化钴的两倍多。

然而,也存在一些挑战。Li-S化合物很难管理。硫有与锂结合的倾向。当它出现时,它会形成一种化合物,使细胞的成分结晶并粘合在一起。在反复循环下,它也有开裂的倾向。这些化合物往往会从细胞内的位置泄漏出来。到目前为止,这些问题最终导致电池在仅仅几十次循环后失效。

要解决第一个问题,答案是设法稳定阴极。一些研究人员尝试的一种方法是将硫加热到185摄氏度,这将导致这种元素的八个原子环融化成长链。接下来,他们加入了二异丙烯苯(DIB),这是一种碳基塑料前体。这个过程将把硫链连接在一起。其结果就是所谓的共聚物。

通过添加DIB,可以在一定程度上防止Li-S化合物的开裂,从而防止其结晶。虽然这种方法有其优点,但总体上的成功是微不足道的。在测试中,在500次循环后,电池只保留了原来容量的一半。这在一些应用程序中可能足够了,其中浮动是主要的需求,但对于IoE设备(远程或有规律循环的自治设备),周期太少了。在使用其他材料的阴极稳定方面,也有类似的研究正在进行。

为了解决第二个问题,一个载体让研究人员开发了微观的空心碳壳(导电),上面涂有一种旨在包含Li-S化合物的聚合物。这些实验似乎奏效了。在测试中,这些结构能够保持更高的能量存储容量(630 mAh/g)比典型的锂离子存储容量(200 mAh/g)。这种能量密度在600次快速充放电循环中保持一致。

世界各地的其他设施也在以各种不同的外围轨道开展工作。

镁离子。另一种非常有前途的电池技术是镁离子(Mg离子)。这种技术有很多兴奋,即使它只是理论上。没有开发工作模型。然而,它可以提供的承诺,尽可能多为12倍的能量密度与锂离子,电荷放电效率的5倍提高。这使得这是一种观看的技术。

当然,这并非没有挑战。从好的方面来看,镁的储量相当丰富,而且普遍便宜。它也比锂更容易处理。和Li不同,Li是一种一对一的离子-电子转移,而Mg是两个电子/一个离子。从理论上讲,一出门,容量就翻了一番。

不利的一面是,它比锂离子电池技术有更多的问题,最重要的是它很难镀和剥离电池结构。此外,双电子背包减慢了分子通过电解质和电极的速度。因此,有一系列的研究正在寻找合适的电解质,以及边缘的发展,如液体电极。这适用于所有离子电池技术,而不仅仅是镁电池。

在接下来的几年里,我们将看到电池技术的巨大进步。其中大部分将集中在汽车等大型能源应用上,但随着IoE的展开,将面临将这些新技术缩小至微观水平的压力。

结论
在本文中讨论的大部分讨论的是专注于电池的电池,例如,需要比微型IOE设备更高的能源更高的电池。采用电池技术,大规模工作更容易,取得成功,然后尝试扩展它。今天汽车和工业领域还有更多的资金。

目前迫切需要一种高密度、低成本的小型储能设备。它必须安全易于制造,并着眼于不断发展的IoE。由于IoE仍然是一个概念,而不是现实,目前的发展是在一些领域,但预计在未来几年内,在微观端取得的进展将显著增加。

附录A

2015-08-03 at 10.10.22 AM

资料来源:battery ilyity.com.

其他相关指标

•循环寿命基于电池接收定期维护。未能施加定期的完全放电循环可能将循环寿命减少三倍。

•循环寿命也基于放电深度。浅放电提供比深度放电更多的循环。电荷后,放电是最高的,然后逐渐关闭。

•NiCd容量在前24h下降10%,之后每30天下降约10%。自放电随温度升高而增大。

•内部保护电路通常每月消耗存储能量的3%。

•1.25V是开路电池电压。常用值为1.2V。细胞之间没有区别;这只是一种评级方法。

•具有高电流脉冲仅适用于放电;充电温度范围更有限。维修可以采用“平衡”或“顶充”的形式。

•商用便携式设备的电池成本是电池价格除以循环寿命。不包括电费和充电器的费用。



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