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新能源汽車電池展望

人氣:1111 文章出處:原創 發表時間:2019-06-11

新能源汽車的發展對電池的要求越來越高,我國《節能與 新能源汽車技術路線圖》提出2030 年電池比能量達到 500 Wh/kg,目前的鋰離子電池都滿足不了此要求。加快新型動力 電池的開發勢在必行,當前主要進行研發的新一代動力電池 包括固態鋰離子電池、鋰硫電池、鋰空氣電池等。

1 固態鋰離子電池

固態鋰離子電池從 20 世紀 50 年代就開始研究,但受當 時材料技術、制造技術限制,其電性能和安全性不能達到實用化要求。智能電子產品、電動汽車產業要求配套電池性能不斷提升,使固態鋰離子電池成為近年來研究的重點。固態鋰離子 電池安全性好、比能量高(可達400 Wh/kg 以上)、循環壽命長、 工作溫度范圍寬、電化學窗口寬(可達 5 V)。

固態鋰離子電池存在的主要問題是倍率性能和低溫性能差,主要原因是固態電解質導電率與液態電解質相比差幾個數量級,電池內阻大;其次固態電池電化學反應是發生在固 / 固界面,固 / 固界面浸潤性差,電化學反應離子擴散速率低,造 成濃差極化大(過電位高);再者,電極在充放電過程中通常會膨脹 / 收縮,導致電極與電解質發生分離,嚴重時使電池失效。

解決固態電解質與正負極界面以及正負極內部等的傳質 過慢問題是研究的主要方向,研究內容主要包括對電極 / 電解質界面結構解析,新型電解質開發,固態界面反應機理,電極成型技術等。目前研究的固態電解質主要分為四種,分別是硫 化物電解質、聚合物電解質(PEO 類聚合物)、氧化物電解質和 無機有機復合物電解質,其中氧化物固態電解質是公認的最 終發展方向。

2 鋰硫電池

硫具有高的理論比容量(1675mAh/g),與金屬鋰構建的 鋰 / 硫二次電池理論比能量高達 2600Wh/kg,是最有前景的 新一代動力電池之一。在鋰硫電池走向實際應用過程中,存在以下問題:

(1)放電過程中間產物聚硫化鋰易溶于電解液,電池容量衰減快,循環穩定性差;(2)S和硫化鋰都是絕緣體,導 電性差;(3) 充放電過程中正負極材料體積收縮和膨脹易導致 電池損壞;(4)聚硫化鋰在正、負極之間的“穿梭反應”,降低充電庫侖效率;(5)金屬鋰電極充放電過程中易形成枝晶與“死 鋰”,體積變化大,SEI 膜反復形成 - 破裂,消耗電解液,導致電池失效。研究的關鍵是確保使用 Li2S 作為正極的電池的長期 可靠性以及提高 Li2S 的利用率,并且負極材料需要與正極材 料相匹配:Li2S 可匹配石墨或硅(Si)的混合材料;S8匹配金屬 Li 或其合金。

研究的主要內容包括:(1)通過材料復合抑制穿 梭效應,并減小電極膨脹:如硫 / 碳復合(包括碳纖維管、石墨 烯等材料)、硫 / 聚合物復合、硫 / 金屬氧化物復合等;(2)鋰硫電池的電解質的研發;(3)通過濺射、表面包覆、合金化、鈍化等方法對鋰金屬負極進行保護。

3.鋰空氣電池

鋰空氣電池是以Li作負極、O2為正極的電池,在水溶液體系中放電產物為LiOH,有機體系中放電產物為Li2O或Li2O2,開路電壓為2.91V。理論上O2是無限供應的,金屬鋰比容量為3860mAh/g,電池理論比能量達到11140Wh/kg,是現有研究電池中比能量最高的,也是鋰離子電池研究的最終方向??諝怆姌O一般使用多孔碳材料(如活性炭、碳納米管等),可以產生較多的空氣通道。鋰空氣電池致命缺陷是反應生成物Li2O或Li2O2不溶于有機電解液,會在多孔碳上堆積,阻塞氣流通道,阻止電池放電;在有機體系中,電池充電電壓遠大于放電電壓,能量效率低。研究方向和內容主要包括:空氣電極的研究和開發;電化學反應低成本催化劑的開發;金屬鋰的防護;水溶液體系、有機溶液體系以及混合體系的電解液的研究;空氣中其他組分的毒化作用的防治和研究等。

總結

新能源汽車對動力電池的要求主要包括:高安全性下的高能量密度需求,體現在與燃油車相比較的一次加油續航里程;快充性能,達到與常規車加油時間相接近;寬溫度范圍的應用,全天候條件下電池的性能保障;長循環壽命,達到與整車同壽命。新一代鋰離子動力電池的研究方向也脫離不了這個范疇,全固態電池是最接近實際應用的動力電池,除了導電率及界面問題的進一步深入研究外,應更多地集中于批量化生產工藝及實車應用測試數據的分析。而對于鋰硫電池和鋰空氣電池等,應注重于機理和電池材料方面的深入研究,首先實現在小型電子設備上的應用,再向動力電池領域拓展。隨著技術的發展和科研人員的努力,對新型動力電池機理的深入探索和新材料的不斷涌現,動力電池將出現跨越式的發展。

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