高能量密度锂离子电池电极材料研究进展_李军
(完整word版)高能量三元正极材料的开发及产业化.doc
高能量三元正极材料的开发及产业化 一、镍钴锰三元正极材料市场需求分析 锂离子电池作为一种对环境友好的替代能源，近年来受到了人们的重点关 注，在 21 世纪初始持续实现了接近30%的年复合增长率。纯电动、混合动力汽 车需求的剧增，更加极大地促进了动力型锂离子电池的发展，特斯拉、日产、宝 马以及国内的比亚迪、江淮等车企，都已经实现了电动汽车的量产化，并不断加大研发投入，对电动汽车、锂离子电池及其关键材料产业链进行重点开发。正极材料是锂离子电池的核心关键材料，目前已在市场上广泛使用的有钴酸锂、锰酸锂、系列镍钴锰三元复合材料（镍：钴：锰 =1:1:1，5:2:3，6:2:2 等）和磷酸铁锂，其中适用于动力型锂离子电池的正极材料主要有磷酸铁锂和镍钴锰三元复合材料。进一步提高能量密度和安全性能是正极材料发展的必然趋势，由于高电压充电或深度放电时电极材料对有机电解质的强氧化作用、材料自身结构的崩塌或破坏、高镍类材料带来的产气问题，以及压实密度已接近理论真密度的极限，现有材料在兼顾高能量密度和高安全性能上的局限亟需突破。 从全球范围来看，锂离子电池企业主要集中在日本、中国和韩国，相应的锂离子电池正极材料的研发及生产也主要集中在以上国家。国外锂离子电池正极材 料行业已逐渐形成了寡头竞争的局面，如日本的户田和日亚化学工业等企业，韩国的 Umicore 和 L&F 等企业。国内仍有较多的企业在参与市场竞争，主要有当升科技、湖南瑞翔、湖南杉杉、余姚金和、中信国安、天津巴莫、深圳天骄等企业。近年来，作为正极材料之一的镍钴锰三元材料，应用前景极为广阔，发展更 是突飞猛进， 2014 下半年以来至今，受电动汽车用锂离子电池体系重心由磷酸 铁锂到三元材料转变的刺激，使三元材料的市场需求呈井喷之势。但由于三元材料行业技术集成度高、下游客户对产品质量要求严格等原因，一些不具备核心竞争力的企业将会逐步退出，行业内的优势企业将占据越来越多的市场份额。产能集中、技术集中，高能量密度、高安全性能已经成为行业对三元类材料企业和产品要求的重要趋势。 由于镍钴锰三元材料 Li(Ni x Co y Mn 1-x-y )O2 存在明显的三元协同效应，利用Ni 、Co、 Mn 三种元素各自的优势可提高Li(Ni x Co y Mn 1-x-y )O2材料的综合性能。因此，该材料的组分优化可进一步放大各组分元素的优势，除了传统的
有机笼状高能量密度材料(HEDM)的分子设计和配方设计初探
有机笼状高能量密度材料（HEDM）的分子设计和配方设计初探运用理论和计算化学方法,主要是量子力学（QM）、分子力学（MM）和分子动力学（MD）等方法,对两类重要有机笼状化合物金刚烷和六氮杂金刚烷（HAA）的多系列高能衍生物以及著名的高能量密度化合物（HEDC）六硝基六氮杂异伍兹烷（CL-20）的结构和性能,进行了较为系统的计算、模拟和研究。从气相分子、固态晶体至复合材料（高聚物黏结炸药PBX）,完成了寻求高能量密度材料（HEDM）的全过程研究。全文大体包括三部分内容:第一部分是HEDC的“分子设计”。基于量子化学计算首次建议和运用判别HEDC的定量标准(密度ρ >1.9g·cm-3,爆速D>9.0km·s-1和爆压 p>40.0GPa),并兼顾其稳定性(热解引发键离解能 BDE>120kJ·mol-1)要求,从上述多系列有机笼状化合物中推荐了7种HEDC。 首先,以量子化学第一性原理DFT-B3LY/6-31G*水平的全优化构型,求得系 列多硝基金刚烷（PNA）的红外光谱（IR）和298800K温度范围的热力学性质(Cp,m°、Sm°和Hm°);设计等键反应求得其气相生成热（HOF）;按0.001e·Bohr-3电子密度曲面所包含的体积求得晶体理论密度（ρ）;按Kamlet-Jacobs方程估算它们的爆速（D）和爆压（p）。运用UHF-PM3方法求得该系列化合物的各可能引发键的均裂活化能 （Ea）,预测其热解引发机理和稳定性相对大小;在B3LYP/6-31G*水平求得引发键C–NO2键离解能（EC–N）;发现热解引发键的键级(BC–NO2)、EC–N、Ea以及– NO2上净电荷（QNO2）对判别稳定性或感度的等价线性关系。按照我们建议的HEDC的定量标准和稳定性要求,发现1,2,3,4,5,6,7,8-八硝基金刚烷、1,2,3,4,5,6,7,8,9-九硝基金刚烷和1,2,3,4,5,6,7,8,9,10-十硝基金刚烷三种化合物是值得推荐的潜在HEDC,从而否定了国外前人由基团加 和法得出的十一硝基金刚烷是PNA系列最佳HEDC目标物的结论。此外,还对金刚烷的硝酸酯基系列化合物作类似的理论研究,根据判别HEDC的能量与稳定性相结合的定量标准,发现1,2,4,6,8,9,10-七硝酸酯基金刚烷可作为HEDC目标物。 其次,在B3LYP/6-311++G（3df,2pd）//B3LYP/6-31G*水平下,对
锂离子电池和金属锂离子电池的能量密度计算
锂离子电池和金属锂离子电池的能量密度计算 吴娇杨，刘品，胡勇胜，李泓 （中国科学院物理研究所，北京，100190） 摘要：锂电池是理论能量密度最高的化学储能体系，估算各类锂电池电芯和单体能达到的能量密 度，对于确定锂电池的发展方向和研发目标，具有积极的意义。本文根据主要正负极材料的比容 量、电压，同时考虑非活性物质集流体、导电添加剂、粘结剂、隔膜、电解液、封装材料占比，计算了不同材料体系组成的锂离子电池和采用金属锂负极、嵌入类化合物正极的金属锂离子电池 电芯的预期能量密度，并计算了18650型小型圆柱电池单体的能量密度，为电池发展路线的选择 和能量密度所能达到的数值提供参考依据。同时指出，电池能量密度只是电池应用考虑的一个重 要指标，面向实际应用，需要兼顾其它技术指标的实现。 关键词：锂离子电池；金属锂离子电池；能量密度；18650电池；电芯 中图分类号：O O646.21文献标志码：A 文章编号： Calculation on energy densities of lithium ion batteries and metallic lithium ion batteries WU Jiaoyang，Liu pin, HU Yongsheng, LI Hong (Institute of Physics, Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China) Abstract:Lithiumbatteries have the highest theoretical energy densities among all electrochemical energy storage devices. Prediction of the energy density of the different lithium ion batteries (LIB) and metallic lithium ion batteries (MLIB) is valuable for understanding the limitation of the batteries and determine the directions of R&D. In this research paper, the energy densities of LIB and MLIB have been calculated. Ourcalculation includes the active electrode materials and inactive materials inside the cell.For practical applications, energy density is essential but not the only factor to be considered, other requirements on the performances have to be satisfied ina balanced way. Key words：lithiumion batteries; metal lithium ion batteries; energy densitycalculation;18650 cell; batteries core 收稿日期：；修改稿日期：。 基金项目：国家自然科学基金杰出青年基金项目（51325206），国家重点基础研究发展计划（973）项目（2012CB932900）。第一作者：吴娇杨（1988-），女, 博士研究生，研究方向锂离子电池电解质E-mail：wujiaoyang8@https://www.360docs.net/doc/c815845355.html,；通讯联系人：李泓， 研究员，研究方向为固体离子学与锂电池材料，E-mail：hli@https://www.360docs.net/doc/c815845355.html,。
锂硫电池综述
高性能锂硫电池的研究进展 摘要：目前传统的锂离子电池在电子产品中发挥着重要作用。然而受到其较低的理论比容量的限制(约150～200Wh/kg)，锂离子电池将难以满足人类发展的长远需求，例如电动汽车行业的发展。锂硫电池的理论能量密度为2600Wh/kg，是锂离子二次电池的3～5倍，是极具应用前景的电化学储能体系，近年来引起了研究人员的广泛关注。人们提高电极导电性、维持电极结构稳定性、提高硫的负载率和利用率以及加强电池循环寿命等方面开展了大量的研究工作。本文将就近几年锂硫电池的发展进行相关介绍和讨论。 关键词：锂硫电池正极材料纳米结构材料改性电解质电池结构 Research progress in High-Performance Lithium-Sulphur Batteries Ren Guodong (School of Metallurgy and Environment, Central South University，0507110402) Abstract：Lithium-ion batteries has played an important role in the electronics at present.But due to its low theoretical energy density ,which is only 150～200Wh/kg,therefore the lithium-ion batteries cannot meet the long-term needs of society in the future,just in the case of the development of electric vehicles.Lithium-sulphur battery is a promising electrochemical energy storage system which has high theoretical energy density of 2600Wh/kg,that is 3~5 times to lithium-ion battery.And it has arised more and more attentions recently.Great efforts have been made by reseachers to improve the conductivity of the electrode , the stability of electrode structure,the loading capicity of sulphur ,the utilization efficiency of sulfur in the cathode and the enhancement of cycle life of the battery．In this paper,the recent research of lithium-sulphur battery will be analyzed and discussed. Keywords：lithium-sulphur battery cathode material nano-structure modification electrolyte cell configuration 1.前言 电能储存技术和设备将会在未来社会发展中成为一项十分重要的需求。传统
蓄电池能量密度
电池常用术语：能量密度和功率密度 (2010-06-21 10:52:38) 分类：储能 标签： 电池 在谈及电池的时候，能量密度和功率密度是两个经常提到的量 能量密度（Wh/kg)指的是的单位重量的电池所储存的能量是多少，1Wh等于3600焦耳（J)的能量。 功率密度（W/kg)指的是单位重量的电池在放电时可以以何种速率进行能量输出。 能量密度是由电池的材料特性决定的，普通铅酸电池的能量密度约为40Wh/kg，常用的电动两轮车用铅酸电池包为48V，10Ah, 储能480Wh,所以可以简单估计这种电池包的重量至少在12kg以上。 铅酸电池的能量密度是比较低的，所以无法用作电动汽车的动力源，因为如果使用铅酸电池驱动家用汽车行驶200km以上，需要将近1吨的电池，这个重量太大了，无法达到实用，当然铅有毒也是一个方面原因，铅酸电池的循环性能也比较差，但是我们可以看到，仅丛能量密度上就可以判断出铅酸电池不能作为纯电动汽车的动力源 目前比较热的锂离子电池的能量密度约在100～150Wh/kg左右，这个值比铅酸电池高出2～3倍，且锂离子电池的循环性要远远高于铅酸电池，所以目前锂离子电池是开发电动汽车的首选电池。 功率密度也是由材料的特性决定的，并且功率密度和能量密度没有直接关系，并不是说能量密度越高功率密度就越高，用专业的术语来说，功率密度其实描述的是电池的倍率性能，即电池可以以多大的电流放电，功率密度对于电池开发以及电动车开发而言非常重要，如果功率密度高，则电动车在加速的时候就会非常快，普通的铅酸电池的功率密度一般只有几十～数百瓦特/千克，这是一个非常低的
值，表明铅酸电池的高倍率放电性能较差，而锂离子电池目前的功率密度可以达到数千瓦特/千克。 值得指出的是，能量密度和功率密度都是一个会变化的量，电池在使用多次以后能量密度会降低（电池容量衰减），功率密度也会下降，并且这两个量也是随着环境的变化而变化的，比如在极为寒冷或炎热的季节中它们都会发生一定程度的变化（一般是减少）。 目前还没有任何一种电池的能量密度可以达到实用化的驱动电动汽车具有几百公里的续航里程。提高电池的能量密度也是目前电池研发中的重中之重，在安全性得到解决的前提下，如果电池的能量密度可以达到300～400Wh/kg的话，就具备了和传统燃油机车较量续航里程的资本，但是电池还有一个知名的问题就是寿命，电池的能量密度会随着电池的使用而衰减，并且这种衰减并非是线型的，而可能是突然的降低，所以，在开发车用电池的时候，循环性同样是决定性的因素。
PHEV用高能量密度电池的设计
Design of high energy density MCMB/Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2 cells for PHEV purposes Honghe Zheng1,*, Gao Liu*, Xiangyun Song, Paul Ridgway and Vince Battaglia*, z Lawrence Berkeley National Laboratory, 1 Cyclotron Rd, Berkeley, CA 94720, USA Introduction Energy density is one of the important criteria for lithium-ion batteries to meet the aggressive requirements for PHEV applications. According to the recently announced PHEV goals by the USABC, a system energy density of 207 Wh/L is required (with an assumption that only 70% is available for all electric driving) to meet the 40-mile, all-electric-driving target. Reducing inactive material content and increasing electrode thickness are important ways to increase the energy density of a lithium-ion battery. We have reported the energy density improvement of the Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2 (L333) cathode using minimum amounts of inactive materials[1]. That study investigated the effects of electrode thickness on the electrochemical behavior of graphite anodes and Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2-cathodes. In this presentation we show that on the electrode scale combining the optimized MCMB anode and Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2 cathode surpasses the PHEV 40-mile energy density goal by 50%. Experiment MCMB was supplied by Osaka Gas, Japan and Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2 was supplied by Seimi, USA. A slurry consisting of different amounts of active material, PVdF, and acetlylene black was prepared by mixing in 1-methyl-2-pyrrolidone (1MP). Coated films on copper foil for MCMB and on aluminum foil for Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2 were prepared by the motorized doctor blade method. All of the films with different active material loadings were compressed to 35% porosity using a calendering machine. Coin cells were assembled in an argon-filled glove box. The separator employed was Celgard 2400. 1M LiPF6/EC+DEC(1:2) was used as the electrolyte. Electrochemical measurements were performed by using a Maccor battery cycler. Results and discussion Fig.1 shows the effect of electrode thickness on the rate performance for both the MCMB-based anode and the Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2-based cathode. From this figure, it is seen that rate performances of the anode and the cathode as a function of the electrode thickness are quite different. The capacity of at which the anode hits the rate 1On leave from Henan Normal University, P.R.China * Electrochemical active member z E-mail: VSBattaglia@https://www.360docs.net/doc/c815845355.html, mass transfer limit varies dramatically with thicknees and C-rate, where as the capacity of the cathode shows a steady decline as a function of rate before hitting a mass transfer Fig.2 was obtained by plotting the capacity versus current density of an electrode corresponding to the point just before the bend in the curve of the rate- capability curves of Figure 1. (The performances of three graphites and L333 are displayed.) This figure indicates that. for discharge rates below ca. 3 C, the rate performance of the three graphite anodes is worse than that of the Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2 cathode. In other words, the anode limits the rate performance of the cell for discharges longer than 20 minutes. The data also suggest that cells with discharge rates greater than 3C can not be made with L333 cathodes. For urban driving, 20 mph is considered the average driving speed. Therefore, the 40-mile battery system should be optimized for a 2 hr discharge, i.e. C/2 rate. Based on the data of figure 2, the cycleable capacity of 2 1/31/31/32 full cells. Cathode contains a: 8% PVdF; b: 2% PVdF. Fig. 3 shows the power cycling of two MCMB/Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2coin cells we designed for PHEV purposes. These cells are cycled with a P/4 Charge to 4.3V, and a P/2 Discharge to 70% depth of discharge (DOD), with a 1-hour constant voltage hold at the top of charge. The two cells contain cathodes with different binder contents, 2% and 8%. The cell with the cathode that contains 2% binder has an initial useable energy density of 350 Wh/l (volume includes the working area from Al to Cu current collector). The cell with the cathode that contains 8% binder has an initial useable energy density of 310 Wh/l. The electrode -based energy density of the both systems exceeds the PHEV system requirements with excellent cycling behavior. Meeting the system requirement will require additional engineering effort. The cells are still cycling in our laboratory. Reference 1.Honghe Zheng, Gao Liu, Vince Battaglia et. al, ECS Trans. 11:1-7. 2008 Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2 cathode (b) of different thicknesses.
AA-2009-锂离子电池聚阴离子型硅酸盐正极材料的研究进展
锂离子电池聚阴离子型硅酸盐正极材料的研究进展3 左朋建,王振波,尹鸽平,程新群,杜春雨,徐宇虹,史鹏飞 (哈尔滨工业大学化工学院,哈尔滨150001) 摘要 综述了硅酸盐正极材料的设计、特性、制备及电化学性能,介绍了基于密度泛函理论的量子化学计算在锂离子电池材料设计中的方法和理论,认为进一步开展Li 2MSiO 4及其复合材料的理论和实验研究可以获得性能优异的高容量正极材料。 关键词 锂离子电池 正极材料 硅酸盐材料 量子化学计算 电化学性能中图分类号:TM912.9 文献标识码:A Research Progress on Poly 2anionic Silicate Cat hode Materials for Lit hium Ion Batteries ZUO Pengjian ,WAN G Zhenbo ,YIN Geping ,C H EN G Xinqun , DU Chunyu ,XU Yuhong ,S H I Pengfei (School of Chemical Engineering and Science ,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001) Abstract The progress on the design ,preparation ,characteristics and electrochemical performance of silicate cathode materials for lithium ion batteries is reviewed.The quantum chemistry method based on the DFT is introduced to accomplish the design of lithium ion batteries.The theoretical and experimental studies on the Li 2MSiO 4and its composite are key factors to the development of next generation of high 2capacity lithium ion batteries. K ey w ords lithium ion battery ,cathode material ,silicate material ,quantum chemistry calculation ,electro 2chemical performance 3高等学校博士学科点专项科研基金新教师基金(200802131064);国家自然科学基金(20673032);中国博士后科学基金(No. 20070420860);哈尔滨工业大学科研创新基金(HIT.NSRIF.2008.25) 左朋建:男,博士后,讲师 尹鸽平:女,教授,博士生导师 Tel :0451286403216 E 2mail :zuopj @https://www.360docs.net/doc/c815845355.html, 锂离子电池自20世纪90年代商业化以来,由于具有工作电压高、能量密度大、自放电率低、循环寿命长、无记忆效应以及环境友好等优点而成为便携式电子产品的理想电源。近年来新一代电子产品及动力工具的开发与应用对二次电源系统的比能量和比功率提出了更高要求,而新型高容量电极材料特别是正极材料的设计与制备是获得高性能锂二次电池的关键。 锂离子电池正极材料主要有无机金属化合物材料、有机分子材料和聚合物材料3大类[1],其中无机金属化合物材料已经由初始的金属硫化物发展到目前应用的金属氧化物。但是上述正极材料各自具有一些难以克服的缺点,如比容量偏低、价格较高、循环性能不理想以及存在安全隐患等[2]。相对于负极材料的研究,在过去一二十年里,尽管科学家们付出诸多努力开发出多种正极材料,但具有理想容量的可实用化材料始终未能得到[3]。目前商业化锂过渡金属氧化物的理论容量也相对较低,而且材料在充电态时由于具有强的氧化性而易与电解液发生反应,从而影响电池的安全性能。 以LiFePO 4为代表的聚阴离子型正极材料的出现为下一代高比能量、高比功率锂离子电池的出现注入了强劲动 力[4]。作为安全廉价正极材料的重要选择,聚阴离子型的硅 酸盐正极材料如Li 2FeSiO 4和Li 2MnSiO 4也引起了科研工作者的重点关注,特别是在此类材料的通式(Li 2MSiO 4)中由于含有的活性锂较LiFePO 4材料多1倍,因此,硅酸盐聚阴离子正极材料的开发为寻找新型高容量电极材料提供了重要的可行性。如在Li 2MnSiO 4材料中,由于不同于Li 2FeSiO 4化合物中的Fe 只存在2种价态过渡金属离子(Fe Ⅱ和Fe Ⅲ), Mn 存在更高的氧化态,即若从Li 2MnSiO 4材料中脱出的锂 离子超过1个(单位化学式中),那么Mn Ⅲ(对应的化合物为 LiMnSiO 4)就能进一步氧化为Mn Ⅳ,并最终生成全脱锂态的Mn Ⅳ SiO 4化合物。如果全脱锂态的化合物是稳定的,那么其 对应的可逆容量可以达到333mA ?h/g 。这将会是自1991年锂离子电池问世以来电极材料容量研究领域一个重要的突破。然而,目前的聚阴离子型硅酸盐正极材料的实际可逆容量大都维持在100mA ?h/g 左右,即使起始几个循环的可逆容量较高,其后材料也会发生较大的容量衰减。 因此,进一步明确此类正极材料的结构特性和嵌脱锂反应机理,找到材料的失效机制和容量衰减原因,完成高容量、安全性好的复合型聚阴离子硅酸盐正极材料的设计和制备,
能量密度和功率密度
能量密度和功率密度 Prepared on 22 November 2020
电池常用术语：能量密度和功率密度 (2010-06-2110:52:38) 标签：分类： 在谈及电池的时候，能量密度和功率密度是两个经常提到的量 能量密度（Wh/kg)指的是的单位重量的电池所储存的能量是多少，1Wh等于3600焦耳（J)的能量。 功率密度（W/kg)指的是单位重量的电池在放电时可以以何种速率进行能量输出。 能量密度是由电池的材料特性决定的，普通铅酸电池的能量密度约为40Wh/kg，常用的电动两轮车用铅酸电池包为48V，10Ah,储能480Wh,所以可以简单估计这种电池包的重量至少在12kg以上。 铅酸电池的能量密度是比较低的，所以无法用作电动汽车的动力源，因为如果使用铅酸电池驱动家用汽车行驶200km以上，需要将近1吨的电池，这个重量太大了，无法达到实用，当然铅有毒也是一个方面原因，铅酸电池的循环性能也比较差，但是我们可以看到，仅丛能量密度上就可以判断出铅酸电池不能作为纯电动汽车的动力源 目前比较热的锂离子电池的能量密度约在100～150Wh/kg左右，这个值比铅酸电池高出2～3倍，且锂离子电池的循环性要远远高于铅酸电池，所以目前锂离子电池是开发电动汽车的首选电池。 功率密度也是由材料的特性决定的，并且功率密度和能量密度没有直接关系，并不是说能量密度越高功率密度就越高，用专业的术语来说，功率密度其实描述的是电池的倍率性能，即电池可以以多大的电流放电，功率密度对于电池开发以及电动车开发而言非常重要，如果功率密度高，则电动车在加速的时候就会非常快，普通的铅酸电池的功率密度一般只有几十～数百瓦特/千克，这是一个非常低的值，表明铅酸电池的高倍率放电性能较差，而锂离子电池目前的功率密度可以达到数千瓦特/千克。 值得指出的是，能量密度和功率密度都是一个会变化的量，电池在使用多次以后能量密度会降低（电池容量衰减），功率密度也会下降，并且这两个量也是随着环境的变化而变化的，比如在极为寒冷或炎热的季节中它们都会发生一定程度的变化（一般是减少）。 目前还没有任何一种电池的能量密度可以达到实用化的驱动电动汽车具有几百公里的续航里程。提高电池的能量密度也是目前电池研发中的重中之重，在安全性得到解决的前提下，如果电池的能量密度可以达到300～400Wh/kg的话，就具备了和传统燃油机车较量续航里程的资本，但是电池还有一个知名的问题就是寿命，电池的能量密度会随着电池的使用而衰减，并且这种衰减并非是线型的，而可能是突然的降低，所以，在开发车用电池的时候，循环性同样是决定性的因素
高能量密度动力学研究
高能量密度动力学研究的内容和意义 SCW 摘要 高能量密度状态是指物质由于受到外界能量输人或自身能量转换，使其内能增大而造成的高压力、高密度和高温度状态。能量的体积密度的量纲等同于压力的量纲，由此可知内能增加量为1MJ／cm3时，物质内部的压力约为1TPa量级。通常认为在高能量密度状态下，固体物质的可压缩性已有显著影响，气态物质应达到接近极限压缩的程度，即相当于0.1TPa或0.1MJ／cm3的内能密度。例如密度为0.01／cm3的物质被加热到100eV，其压力约0.1TPa量级，对氢气（氘、氚）而言比能量约为10MJ/g。 高能炸药PBX-9404的化学反应能密度约为0.0096 MJ／cm3，爆压36GPa。核材料铀-235全部裂变释放的能量密度相当于1.386 106 MJ／cm3，裂变反应区中压力达到5000TPa。比较这些数据可知，我们定义的高能量密度状态的下界，比炸药爆轰直接状态高出一个量级，相当于核裂变反应开始的状态（如炸药爆轰再经过内爆聚能达到的状态），属于应用非核聚能手段仍可达到的范围。高能量密度物理就是使用这些手段（包括爆轰、电磁力和激光烧蚀），把待研究的物质压缩到所需要的状态，并研究相应的极高速度、压力和温度条件下物质的性质和变化过程。这是一个核武器物理、天体物理、流体动力学和凝聚态物理的交叉领域，也是一个孕育着新发现和新认识的重要前沿学科。 利用脉冲功率技术(电容器组、爆炸磁压缩装置和电子加速器等)提供的数十至数百兆安(MA)轴向冲击大电流，产生强大的箍缩电磁力，可把几厘米直径的金属或等离子体圆柱套筒高速压缩到上千万大气压力或上百万度温度的状态，并可维持微秒或纳秒量级的时间。这种电磁内爆实验可用来研究材料高压物态方程等极端条件下的物质性质、核武器内爆动力学和组件缺陷的影响、流体动力学界面不稳定性等物理问题，并能产生大量的软X射线用于核武器效应模拟研究。美、俄两国有关实验室用的电磁驱动内爆技术，已能造成每立方厘米物质的内能相当于上百克炸药能量的高能量密度状态。Atlas装置进行的高能量密度流体动力学实验，可实现压力量级为TPa的冲击压缩和等熵压缩，进行相关范围的物态方程研究；可进行圆柱形复合套筒内爆动力学、微喷射和微射流、特殊材料力学性能及层裂损伤、流体动力学内爆不稳定性和界面不稳定性、湍流混合、复杂构形三维流动（切向流，界面摩擦）等核武器物理主要问题的研究；还可用来探
锂离子电池电极材料综述(精)
锂离子电池电极材料综述 一、引言 从上世世纪70年代起锂离子电池的研究至第一个可充式锂-二硫化钼电池于1979年研究成功，再到1991年SONY公司首次推出商品化锂离子电池产品算起，锂离子电池的发展至今已有30多年的时间。锂离子电池是以Li+嵌入化合物为正负极的二次电池，实际上是一个锂离子浓差电池，正负极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。与其它蓄电池相比，锂离子电池具有开路电压高、循环寿命长、能量密度高、安全性能高、自放电率低、无记忆效应、对环境友好等优点。目前，锂离子电池已经被广泛应用于移动通讯、便携式笔记本电脑、摄像机、便携式仪器仪表等领域。随着这些电器的高能化，轻量化，对锂离子电池的需求也越来越迫切。同时被看作是未来电动汽车动力电源的重要候选者之一，并在空间技术、国防工业等大功率电源方面展示出广阔的应用前景 二、工作原理 锂离子电池通常正极采用锂化合物，负极采用锂－碳层间化合物。电介质为锂盐的有机电解液。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，正极处于贫锂态，同时电子的补偿从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡。放电时， Li+从负极脱嵌经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态。在正常充放电过程中， Li+在层状结构的碳材料和层状结构的金属氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层面间距变化，不破坏晶体结构。 三、电极材料 （1）电极材料的性能要求 简单来说，电池主要包括正极、负极、电解质与隔膜四个部分。正极材料通常是一种嵌入化合物，在外电场作用下化合物中的锂可逆的嵌入和嵌出；负极材料一般是层状结构的碳材料。 锂离子电池正极材料在改善电池容量方而起着非常重要的作用。理想的正极材料应具备以下品质：点位高、比能量大、电池充放
锂离子电池三元正极材料的分析研究进展
锂离子电池三元正极材料的研究进展 2009年09月01日作者：丁楚雄／孟秋实／陈春华来源：《化学与物理电源系统》编辑：樊晓琳 摘要：本文综述了锂离子电池正极材料层状三元过渡金属氧化物Li-Ni-Co-Mn-O 的研究进展，讨论了三元材料的结构特性与电化学反应特征，重点介绍了三元材料的制备方法和掺杂、表面修饰等改性手段，并分析了三元材料目前存在的问题和未来的研究重点。 关键词：锂离子电池；Li-Ni-Co-Mn-O；层状结构；制备方法；改性 Abstract: The research progress of the ternary transition metal oxides LiNi1-x-yCoxMnyO2 as layered cathode materials for lithium ion batteries is reviewed. The structure and electrochemical performances of the materials are discussed. Various synthesis methods, doping and surface-modification approaches are introduced in detail. Finally, the current main problems and further research trend of the materials are pointed out. Key words: lithium ion battery。cathode。layered structure。synthesis methods。modification 1、引言 锂离子电池因其电压高、能量密度高、循环寿命长、环境污染小等优点倍[1, 2]，但随着电子信息技术的快速发展，对锂离子电池的性能也提出了更受青睐高的要求。正极材料作为目前锂离子电池中最关键的材料，它的发展也最值得关注。 目前常见的锂离子电池正极材料主要有层状结构的钴酸锂、镍酸锂，尖晶石结构的锰酸锂和橄榄石结构的磷酸铁锂。其中，钴酸锂 浅析提高锂电池能量密度的三方法 锂离子电池的诞生可以说是储能领域的一场革命，锂离子电池的广泛应用彻底的改变了我们的生活，轻便的手机、笔记本电脑，长续航的电动汽车等等，我们的生活已经与锂离子电池紧紧的捆绑在了一起，很难相信如果我们失去了像锂离子电池这样便捷、高效的储能电池后我们的生活会变成什么样。 随着锂离子电池技术的不断发展，我们也对锂离子电池的性能提出了更高的要求，我们希望锂离子电池更小、更轻便、储能更多，这些诉求也在推动着锂离子电池研究工作不断前进。从电池结构和新材料、新体系的采用，可爱的锂离子电池研究者们不断尝试各种方法提高锂离子电池能量密度的方法。 1.结构设计 提高锂离子电池的比能量从结构上讲，要提高正负极活性物质在锂离子电池中所占的比例。锂离子电池主要由正负极活性物质、隔膜、铜箔、铝箔和壳体及结构件等部分组成，其中真正能够为锂离子电池提供容量的只有活性物质，因此提高活性物质在锂离子电池中所占的比重才是最有效的提高锂离子电池手段。例如最近特斯拉在大力推动的21700电池，就是通过使用直径更大的电芯(21mm)，增加电芯的高度(70mm)提高活性物质占比，减少结构件等非活性材料的比重，提高锂离子电池的比能量，降低单位瓦时成本。此外软包电池也是减少结构件重量的有效方法，通过使用铝塑膜代替传统的钢制外壳，可以极大的减少结构件在锂离子电池中所占的比重。 除了增大锂离子电池的直径，另外一个有效提高锂离子电池比能量的方法是减少隔膜的厚度，目前常见的PP-PE-PP三层复合隔膜的厚度一般达到30um以上，达到正负极极片的 厚度的20%左右，这也造成了严重的空间浪费，为了减少隔膜所占的空间，目前广大锂离子电池厂家普遍采用带有涂层的薄隔膜，这些隔膜的厚度可达到20um以下，可以在保证锂离子电池安全的前提下，显著的减少隔膜所占的体积比例，提高活性物质占比，提高锂离子电池比能量。 另外的一种增加活性物质比例的方法是从电池的生产工艺的角度入手，首先是增加活性物质在电极中占比。一般锂离子电池的电极主要由四大部分组成，活性物质、导电剂、粘结剂和集流体组成，为了提高活性物质比例，就需要降低其他部分的比例，通过采用新型导电剂、粘结剂从而减少导电剂和粘结剂的比例，采用更薄的集流体来减少非活性物质的所占的比例。其次，需要提高正负极的涂布量，但是提高电极的涂布量还面临的一个问题：当电极过厚时会造成电极的Li+扩散动力学条件变差，影响锂离子电池的倍率和循环性能，为了解决这一问题德国卡尔斯鲁厄理工学院的Boris Bitsch等[1]利用毛细悬浊液和多层电极工艺制备了具有梯度孔隙率的高性能厚电极。在靠近铜箔的低层，Boris Bitsch等采用了普通浆料，使得其具有较低的孔隙率和良好的导电性，而在远离铜箔的表层，Boris Bitsch 则采用了毛细悬浊液浆料，并向其中添加了1-辛醇，使其孔隙率明显增加，改善了电极的动力学条件，从而使得该电极的孔隙率自下而上呈现出逐渐增加的特性，显著改善了厚电极的动力学条件，提高了厚电极的电化学性能，从而实现了在提高电池重量和体积比能量的同时不降低电池的循环性能。 提高锂离子电池比能量的另外一个重要的方法就是控制电解液的数量，减少电解液的数量可以有效的提高锂离子电池的能量密度。电解液在锂离子电池内部起到一个媒介的作用，正负极的Li+通过电解液进行扩散，因此电解液理论上来讲是一种“非消耗品”，只要有少量的电解液保证Li+在正负极之间自由扩散就行了，但是实际上由于在化成过程中SEI 膜的形成导致电解液分解，以及在循环过程中SEI膜破坏和正极氧化等原因造成的电解液分解，导致电解液在实际上是持续消耗的，因此电池内的电解液一般而言都是过量的，这也是浅析提高锂电池能量密度的三方法