锂电池续航不久怎么长时间续航，解决锂电池安全续航问题
来源：宝鄂实业
2019-04-10 08:52
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众所周知，移动设备近几年来在电池续航问题上进入了瓶颈期，各大锂电池厂家不得不通过增大电池容量来解决这个问题，不过增大容量这种方案不是长久之计，三星Note7的爆炸无疑给整个锂电池产业劈头浇了一盆冷水。不过，有决心创新改变的研究人员始终没有放弃，终于在最近发现了一种新的解决方案，那就是冷凝法，这种方法，能保证锂电池安全的情况下提升续航能力，并且可以弯曲，能够充分适应为了可能出现的可弯曲移动设备。
那么冷凝发到底是什么?其实很简单，就是用冰模板(ice-templating)垂直对齐电池内固态电解质架构，增强导电性。这种新型电池的诞生也正好为概念中的柔性智能手机和平板电脑铺路。
眼下，市场上可重复充电的锂电池用的液体电解质高易燃性，极易造成安全问题，去年 Note 7 事故元凶就是它。因此，哥伦比亚大学工程和应用科学学院决定尝试使用固体电解质来代替易燃的液体电解质。
由于传统液体电解质极易燃烧，他们使用冰模板让陶瓷固体电解质呈现出垂直对齐的柱状架构，使用陶瓷固体电解质的电池明显更安全且导电性更强。这种电池的制作方法也是很稀奇的，制作时，先在底部加入陶瓷颗粒并冷却水性溶液，随后让冰层生长，挤出一部分已结冰的水性溶液，让陶瓷颗粒在电池中成为主流。最后，营造一个真空环境让冰升华为汽态，这样就完成了搭建垂直对齐架构。搞定垂直对齐架构后，需要与聚合物相结合，后者是一种由许多重复子单元组成的大分子，这样就能为电解质提供机械支撑并更富有柔韧性。
哥大材料科学和工程学助理教授Yuan Yang提到过，柔性固态锂电无论是在移动设备上还是电动车上，都能一劳永逸的解决安全问题，同时还能增加能量密度。 在之前的实验中，研究员用了一种该解决方案的变种。他们在聚合物电解质中用了随机分散陶瓷粒子，此外还尝试类纤维的陶瓷电解质，不过这些方案都无法实现垂直对齐。
在之前的实验中，研究员用了一种该解决方案的变种。他们在聚合物电解质中用了随机分散陶瓷粒子，此外还尝试类纤维的陶瓷电解质，不过这些方案都无法实现垂直对齐。研究报告的主笔Haowei Zhai 说：“当时我们认为只要结合陶瓷电解质垂直对齐架构与聚合物电解质，就能让锂离子开上快车道并增强电池的导电性。”他还提到，他们相信这是业内首次使用冰模板制造柔性固体电解质，新的电解质不但安全可靠，而且无毒无害。新的方案最佳化了锂离子的导电效能，为下一代充电电池的开发开启了一扇窗。换用固体电解后，原本锂电池负极使用的石墨层就能换成锂金属了，此举能提升 60~70% 电池能量。
目前，该团队准备最佳化电解质结合的品质并试装出这种新型电池，使今后的锂电池安全续航能力越来越强。
我们现在使用的锂电池都是锂离子电池，此外还有锂金属电池，以锂金属或锂合金作为负极材料的一种电池，最早在1912年便由Gilbert N. Lewis提出，当时的锂金属电池为一次电池（不可充电），由于相比当时的其他电池，锂金属电池对加工、保存的要求高，因而没有成为主流。
而锂离子电池则比锂金属电池年轻许多，它采用锂的金属氧化物作为正极，于20世纪70年代诞生，但直到90年代，随着电子产品的快速发展，对高功率、高能量密度电池的需求增大，锂离子电池才开始成为主流。并且，锂金属电池随着技术发展，近来有开始复兴的趋势，但还未形成潮流，本文主要讨论的对象三元锂电池和磷酸铁锂电池均为锂离子电池，除此之外，算上钛酸锂电池，这三种电池是主流的车用动力电池。
☆锂离子电池的结构
锂离子电池的主要结构包括正、负极、电解液、隔膜和其他一些附件。其中正极材料是研究的重点，三元锂和磷酸铁锂均描述了锂离子电池的正极材料。而当前应用的负极材料主要为石墨，结晶度高，导电性好，对锂离子的容量大，达到了372mAh/g，大大超过了正极材料的容量，这也是为什么现在主要研究正极材料的原因。
锂电池的电解液与传统电池（铅酸电池、镍镉电池等）不同，不采用以水为溶剂的电解液，因为水的了理论分解电压只有1.23V（想想上一期的燃料电池单电池理想电压），因此，以水为电解液的电池电压最高不过2V左右。而锂电池的电压在3-4V左右。常用的电解质材料为无机阴离子锂盐，LiBF4、LiPF6、LiAsF6这三类。溶剂则有酯类、醚类和飒类。
隔膜则是起隔断电子和透过离子作用，使电子必须从外电路迁移，而离子则可以通过电解液移动，保证外电路有电流通过，防止电池内短路。隔膜材料有单层PE、单层PP、三层PP等。
☆锂离子电池充放电的基本原理
先明确两个概念，一，电池是将氧化还原反应的化学能转化为电能的装置。典型特征就是电极上反应物得失电子，通过外电路流动，进而便产生了电流。正负极之间的电荷传递是通过电解液中阴阳离子的运动形成的。
二，二次电池是指可多次再充放电的电池，其内部发生的电化学反应是可逆的。电池放电，内部的A物质变成B物质，化学能变成电能；而充电时，B物质又能够变回A物质，电能变成化学能储存。
充电时锂离子从正极材料的晶格中脱出经过电解质嵌入到负极材料层中；放电时锂离子从负极材料晶格中脱出，经过电解质嵌入到正极材料中。而电子则通过外电路，形成电流。
锂电池充放电反应过程为：
式中，Y为过度金属，在钴酸锂电池（LiCoO2）中Y为钴（Co），在锰酸锂电池中就是锰（Mn）。对于三元锂电池就是镍钴锰酸锂[Li（NiCoMn）O2]中的NiCoMn，对于磷酸铁锂（LiFePO4）电池，就是FePO4。
另外，正极负极指电位高低，阴极阳极则通过得失电子区分，得电子的电机发生还原反应是阴极，失电子发生氧化反应是阳极。充电和放电正负极不变，而阴阳极会反向。
对于锂离子电池而言，正极材料的开发是其关键技术。理论上，根据上述反应化学式，可以实现锂离子脱嵌的物质都可以作为正极材料，但实际上，这并非易事。出于性能考虑，它需要有良好的导电性、较大的放电倍率以及与电解质良好的相容性；出于寿命考虑，它需要有高度的可逆性和较弱的极化效应，出于安全考虑，它需要保证良好的稳定性和温和的电极过程动力学。
☆磷酸铁锂和三元锂电池
磷酸铁锂电池的特点在于安全性高，高倍率充放电特性和较长的循环寿命。文献显示，在充电条件为1C倍率充电至3.65V，然后转恒压至电流下降到0.02C，之后以1C倍率放电至截止电压2.0V，循环1600次之后电池容量仍有初始容量的80%。
PS：充放电倍率=充放电电流/额定容量；例如：额定容量为100Ah的电池用20A放电时，其放电倍率为0.2C。电池放电C率，1C,2C,0.2C是电池放电速率：表示放电快慢的一种量度。所用的容量1小时放电完毕，称为1C放电；5小时放电完毕，则称为1/5=0.2C放电。一般可以通过不同的放电电流来检测电池的容量。对于24AH电池来说，2C放电电流为48A，0.5C放电电流为12A。
