0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

有机电极材料在锂离子电池中的应用前景分析

牵手一起梦 来源:南开大学新闻网 作者:佚名 2020-04-20 14:12 次阅读

近日,中国科学院院士、南开大学教授陈军团队受《自然综述—化学》编委会邀请,发表题为《有机电极材料在锂电池中的实际应用前景分析》的综述论文,对有机电极材料的结构特征、作用机理、构效关系等进行了深入阐述,着重分析了有机电极材料的实际现状和应用前景,有助于学术界和工业界充分了解有机电极材料的实际应用潜力和待解决的问题。

据介绍,锂离子电池目前广泛应用于各类便携式电子设备,在人类社会的信息化、移动化、智能化、社会化等方面凸显作用,并有望在电动汽车和智能电网等领域大规模应用。商品化锂离子电池的正极材料主要是无机过渡金属氧化物和磷酸盐,如LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4和LiNixMnyCozO2等。其中过渡金属资源大都不可再生,电池回收利用技术复杂、成本高,从长远的角度来看,可能会面临资源短缺等难点问题。因此,可循环再生的电极材料开发已成为电池领域的学术前沿和重大需求。

由于含有丰富的碳、氢、氧等元素,并显现出可再生、绿色环保、低成本和高容量等优点,近年来有机电极材料受到了广泛的关注。有机电极材料一般可以从植物中直接提取或者以生物质材料为原料通过简单的方法制备得到,例如玫棕酸二锂材料可以通过中和反应从天然的肌醇得到(肌醇主要以六磷酸形式存在于玉米等植物中);此外,从苹果中广泛存在的苹果酸出发,利用缩聚反应可制得电化学性能优异的聚醌材料。在有机材料提取制备、电池装配、使用和回收过程中产生的CO2又可以被植物吸收利用,因而体现了很好的循环和可再生性。

图1. 有机电极材料的循环再生过程。

但与此同时,有机电极材料也面临着在电解液中溶解度大、导电性差、密度低等难点问题,其材料特征、作用机理、构效关系等亟待深入理解。

有机电极材料的发展历史可追溯到上世纪六十年代末,当时羰基化合物首次被报道用于锂一次电池。近十年来,越来越多的有机电极材料被开发出来应用于电池,不同种类的有机电极材料具有不同的活性中心(官能团)。除了羰基化合物外,目前报道的有机电极材料还包括导电聚合物、有机硫化物、有机自由基、亚胺类化合物、腈类化合物、偶氮化合物和具有超嵌锂能力的化合物等。从反应过程中电荷变化情况来看,可将有机电极材料大致分为三种类型,分别是n型、p型和双极型。n型材料的氧化还原反应发生在中性分子和对应的负电荷状态离子之间,其平衡电位一般在0–3 V(vs. Li+/Li),根据其电位的不同可作为锂离子电池正极或者负极材料;p型材料的氧化还原反应发生在中性分子和对应的正电荷状态离子之间,其平衡电位一般较高,所以经常作为锂离子电池正极材料;双极型分子则兼具有n型和p型材料的性质。

图2. 有机电极材料的发展历史。

有机电极材料具有结构可控调特点。根据不同的分子结构和反应电位,有机材料在实际应用中可作为正极或者负极活性材料,大致有三种可能的电池构型(图3)。第一种是以低电压的中性n型有机材料(如对苯二甲酸锂)作为负极、含锂材料(如LiCoO2)作为正极,这种电池和目前商品化锂离子电池类似,也是需要先进行充电过程。第二种是以中性的p型有机材料(如氮氧自由基)作为正极,此时负极材料可以含锂或者不含锂,这种电池是双离子电池,需要先进行充电,在充电过程中p型正极材料失去电子并结合电解液中的阴离子。第三种则是以高电压的中性n型有机材料(如苯醌)作为正极、含锂材料(如金属Li)作为负极,这种电池需要先放电,目前广泛研究的大部分羰基化合物都是用于这种情形。

图3. 有机电极材料可能的实际应用场景。

为了从不同层次和角度系统分析有机电极材料在锂电池中的实际应用前景,陈军团队的综述论文首先讨论了有机电极材料本身的各种关键性质,包括材料的能量密度、功率密度、循环寿命、密度、电导率、能量效率、价格、资源可用性和热/化学稳定性等。其中,能量密度、功率密度和循环寿命是材料的基本电化学性质,这些性质会受到材料密度和电导率的影响,其他因素如稳定性和价格等也是必须要考虑的问题。

图4. 基于典型有机和无机电极材料的锂电池体系的性能和成本估算。

在实际电池应用的角度,该论文也分析了电极中活性物质的单位面载量和电解液用量等因素对全电池性能的影响。最后,利用软件对以有机材料为正极或者负极的实际锂电池体系进行了模拟,得出了相关电池体系的性能(如整体能量密度、功率密度)和价格等参数

文章最后指出,未来相关研究应该着重关注以下几个方面:一是需要关注有机电极材料的导电性和密度,这与实际电池的性能和成本等密切相关;二是应尽可能在全电池中、且接近实际应用条件下测试有机电极材料的性能;三是发展可商品化的含锂负极或者开发锂化的有机正极,这有利于构建和目前实际锂离子电池类似的电池体系;此外,如何大规模、低成本生产高性能有机电极材料也需要探究。

责任编辑:gt

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 锂离子电池
    +关注

    关注

    85

    文章

    3262

    浏览量

    78031
  • 电子设备
    +关注

    关注

    2

    文章

    2826

    浏览量

    54074
收藏 人收藏

    相关推荐

    FIB-SEM技术锂离子电池的应用

    锂离子电池材料的构成锂离子电池作为现代能源存储领域的重要组成部分,其性能的提升依赖于对电池材料的深入研究。
    的头像 发表于 02-08 12:15 185次阅读
    FIB-SEM技术<b class='flag-5'>在</b><b class='flag-5'>锂离子电池</b>的应用

    锂离子电池的正极为什么用铝箔负极用铜箔?

    随着锂离子电池应用越来越广泛,很多人对锂离子电池也越来越感兴趣,那么为什么锂离子电池中正极要使用铝箔而负极要使用铜箔呢?其实关于这一问题主要有以下几方面的考量。 1-导电性和成本 在
    的头像 发表于 12-17 10:10 1174次阅读
    <b class='flag-5'>锂离子电池</b>的正极为什么用铝箔负极用铜箔?

    智能化进程中的锂离子电池

    。1992年,锂离子电池实现商品化。   锂离子电池 锂离子电池是一种充电电池,它主要依靠锂离子
    的头像 发表于 12-06 10:45 438次阅读

    石墨负极锂离子电池中的发展与储锂机制

    近日,清华大学张强教授团队总结并展望了石墨负极界面的调控方法及其对锂离子电池电化学性能的影响机制,重点介绍了石墨负极锂离子电池中的发展与储锂机制、炭负极的表界面表征方法与界面调控方法,结合目前国内
    的头像 发表于 10-28 11:28 1686次阅读
    石墨负极<b class='flag-5'>在</b><b class='flag-5'>锂离子电池中</b>的发展与储锂机制

    使用碳基复合材料提升锂离子电池传输效率

    近年来,锂离子电池便携式电子设备、电动汽车以及储能设备中得到了广泛应用。随着对快速充电和低温环境性能要求的不断提升,传统石墨负极材料逐渐暴露出低倍率性能、低温充电困难等问题。传输路径长和锂离
    的头像 发表于 10-24 16:26 623次阅读
    使用碳基复合<b class='flag-5'>材料</b>提升<b class='flag-5'>锂离子电池</b>传输效率

    锂离子电池的种类有哪些

    锂离子电池的工作原理其实相当精妙。它主要由四大主材构成:正极材料、负极材料、电解液和隔膜。其中,正极和负极材料统称为电极
    的头像 发表于 10-16 14:22 527次阅读
    <b class='flag-5'>锂离子电池</b>的种类有哪些

    新能源行业锂离子电池测试

    的影响至关重要。锂离子电池内阻和直流电压是衡量电池性能的关键指标,因此,电池测试技术新能源行业中得到了广泛应用。02锂离子电池测试要求1.
    的头像 发表于 07-21 08:33 743次阅读
    新能源行业<b class='flag-5'>锂离子电池</b>测试

    锂离子电池冷却方法及其应用分析

    锂离子电池是通过化学反应的方式提供能量的,所以这个过程会发生一定的热量,而热量如果持续增加而得不到有效的散热,就会积累,反过来电化学物质高温下活性更强,这样不断叠加之下,锂离子电池发生自燃或爆炸
    的头像 发表于 07-16 17:27 474次阅读
    <b class='flag-5'>锂离子电池</b>冷却方法及其应用<b class='flag-5'>分析</b>

    通信电源系统的守护者:锂离子电池

    通信电源系统中,为保障通信电源系统不间断工作,锂离子电池作为备用电源,成为其重要的守护者。一套配置了锂离子电池的通信电源系统,当市电停电时,锂离子电池立即取代市电为负载设备供电,以确
    的头像 发表于 06-15 08:05 164次阅读
    通信电源系统的守护者:<b class='flag-5'>锂离子电池</b>

    锂离子电池的优缺点及应用

    随着科技的飞速发展,电池技术作为能源存储的关键环节,各个领域都发挥着越来越重要的作用。其中,铁锂离子电池以其独特的性能和优势,成为了电池市场中的一颗璀璨明星。本文将对铁
    的头像 发表于 05-24 18:02 2836次阅读

    锂离子电池化成及分容工艺概述

    01锂离子电池 根据《中国锂离子电池产业发展白皮书(2023年)》,全球整体锂离子电池出货量2022年达到957.7GWh,同比增长70.3%。其广泛应用于新能源汽车、电站储能电源系
    的头像 发表于 05-21 17:44 6250次阅读
    <b class='flag-5'>锂离子电池</b>化成及分容工艺概述

    锂离子电池的工作原理、特点及应用

    锂离子电池,作为现代高性能电池的代表,自其诞生以来就受到了广泛的关注和应用。它以其独特的优势,如高能量密度、长寿命、无记忆效应等,迅速占领了电池市场的大部分份额。本文将详细介绍锂离子电池
    的头像 发表于 05-21 16:46 4094次阅读

    锂离子电池的优缺点

    锂离子电池是一种二次电池(充电电池),其工作原理主要依赖于锂离子正极和负极之间的移动。充电过
    的头像 发表于 05-06 17:20 3061次阅读

    电池有望5年内取代锂离子电池

    锂离子电池
    北京中科同志科技股份有限公司
    发布于 :2024年03月06日 08:50:53

    锂离子电池原理有何优势?

    与传统电池技术相比,锂离子电池充电更快,使用更持久,而且更高的功率密度可实现更长的电池使用时间,同时身形更加轻巧。
    发表于 02-25 09:49 433次阅读
    <b class='flag-5'>锂离子电池</b>原理有何优势?