锂离子电池的优缺点及保养方法有哪些你知道吗？
来源：宝鄂实业
2019-04-20 08:42
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由德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员开发的一种新的半液体电池，展现了令人鼓舞的早期结果，包含了最先进的储能设备所需的许多功能。特别地，新电池具有与锂离子电池类似的工作电压，功率密度与超级电容器的功率密度相当，并且即使在以非常高的速率充电和放电时也能保持其良好的性能，由Yuihua Yu助理教授和UT Austin的Yu Ding和Yu Zhao领导的研究人员在最近一期Nano Letters上发表了关于新型无膜半流体电池的论文。研究人员解释说，电池被认为是“半流体”，因为它使用液态二茂铁电解质，液体阴极和固体锂阳极，我们工作的最大意义在于我们设计了一种基于新化学的半液体电池，”Yu告诉Phys.org。“电池具有出色的倍率性能，几乎可在一分钟内完全充电或放电，同时保持良好的能源效率和合理的能量密度，代表了一种具有高能量密度和功率密度的有希望的原型液体氧化还原电池，用于储能。
该电池专为电池技术的两大领域应用而设计：混合动力电动汽车和可再生能源的储能，如上图所示，电池的高功率密度（1400 W / L）和良好的能量密度（40 Wh / L）使其处于独特的有利位置，将功率密度与当前超级电容器的功率密度相结合。能量密度与最先进的氧化还原液流电池和铅酸电池相当，但略低于锂离子电池。这种组合对于电动车辆尤其具有吸引力，其中功率密度对应于最高速度和对于每次充电的车辆范围的能量密度，研究人员还在他们的论文中报告说，新电池具有高容量（137 mAh / g）和500次循环的高容量保持率80％。
研究人员将电池的良好性能归功于其液体电极设计，该设计实现了高速率，这基本上可以衡量电池的运行速度。与固体电池相比，离子可以非常快速地移动通过液体电池，并且在该特定电池中，电子在电极之间转移的氧化还原反应也以非常高的速率发生。为了比较，用于测量这些速率（扩散系数和反应常数）的值在新电池中比在大多数传统液流电池中大几个数量级，尽管到目前为止电池看起来非常有前景，但研究人员指出，仍需要做更多的工作，尤其是锂阳极。
在长期稳定性和安全性方面，这种电池的潜在弱点是锂阳极，”Yu说。“需要更先进的锂阳极保护来完全抑制自放电。我们认为，只要电解质兼容性得到解决，其他金属如锌和镁也可以作为这种电池的阳极。我们还期望其他有机金属化合物具有多价态的金属中心（氧化还原中心）也可以起到阳极的作用，最终使电池充满液体，未来，研究人员计划在实际操作条件下测试电池的长期耐久性，尤其是锂阳极。此外，研究人员希望找到一种方法来提高二茂铁的溶解度，以进一步提高能量密度，以与现有的锂离子电池竞争，同时保持其非常高的功率密度。
开路放置的电池为什么会损失电荷？先天的影响主要来自于电池内部电化学材料损失和电芯内部短路。电芯材料的损失为不可逆反应，造成电芯容量的损失，损失的多少，是容量恢复性能的体现；短路造成的电量损失，消耗了当前电量，容量不受这部分反应的影响。
容量损失带来的电量损失（不可逆）与单纯的电量损失（可逆）的和，是自放电量。
1.1 电化学材料的副反应
材料副反应主要发生在三个部分，正极材料、负极材料和电解液。
正极材料，主要是各类锂的化合物，其始终与电解液存在着微量的反应，环境条件不同，反应的激烈程度也不同。正极材料与电解液反应生成不溶产物，使得反应不可逆。参与反应的正极材料，失去了原来的结构，电池失去相应电量和永久容量。
负极材料，石墨负极原本就具备与电解液反应的能力，在化成过程中，反应产物SEI膜附着在电极表面，才使得电极与电解液停止了激烈的反应。但透过SEI膜的缺陷，这个反应也一直在少量进行。电解液与负极的反应，同时消耗电解液中的锂离子和负极材料。反应带来电量损失的同时，也带来电池最大可用容量的损失。
电解液，电解液除了与正负极反应，还与自身材质中的杂质反应，与正负极材料中的杂质反应，这些反应均会生成不可逆的产物，使得锂离子总量减少，也是电池最大可用容量损失的原因。
1.2 内部短路
电池在生产制造过程中，不可避免的混入一些灰尘杂质，这些杂质属性复杂，有些杂质可以造成正负极的轻微导通，使得电荷中和，电量受损。
集流体的尺寸偏差和加工毛刺，也可能导通正负极。在电芯生命初期，只表现为自放电较高，而时间越长，其造成正负极大规模短路的可能性越大，是电池热失控的一个重要成因。
1.3 隔膜缺陷
隔膜本来的功能是隔离正负极，使得只有锂离子通过而电子无法通过。如果隔膜质量出现问题，屏障的作用不能正常发挥。一点微小的缺陷，也会对自放电率产生明显的影响。
2 影响自放电率的后天因素
不同的使用环境，应用状态以及生命阶段，电池的自放电率也会有所不同。
2.1 温度
环境温度越高，电化学材料的活性越高，前文汇总提及的正极材料、负极材料、电解液等参与的副的反应会更激烈，在相同的时间段内，造成更多的容量损失。
2.2 外部短路
开路放置的电池，其外部短路主要受到空气污染程度和空气湿度的影响。正规的电池自放电特性测试实验，都会严格要求实验室环境以及湿度范围，就是这个原因。高的空气湿度会导致导电率上升。而空气污染主要指，污染物中可能含有导电性颗粒，空气的导电率会因此上升。
2.3 荷电量
研究人员专门对比过荷电量对自放电率的影响，总体趋势是，荷电量越高，自放电率越高。最基本的理解，荷电量越高，表示正极电势越高，负极电势相对越低。这样正极氧化性越强，负极还原性越强，副反应就越激烈。
2.4 时间
在同样电量和容量的损失效率下，时间越长，损失的电量和容量也就越多。但自放电性能一般是用作不同电芯进行比较的指标，都会比“自放电率”，也就是相同前提条件，相同时间下，进行比较，所以时间的作用只能说是影响“自放电量”。
2.5 SEI膜的老化
随着电池循环使用的不断增加，SEI膜的均匀性和致密性都会有所改变。逐渐老化的SEI膜对负极的保护逐渐出现漏洞，使得负极与电解液的接触越来越多，副反应增加。出于相同的原因，不同质量的SEI膜，在电池生命初期也会带来不同的自放电率。
