锂电池基础科学问题_离子在固体中的输运_郑浩
锂离子电池基础知识问题原创版(附参考答案)54
对全部高中资料试卷电气设备，在安装过程中以及安装结束后进行高中资料试卷调整试验；通电检查所有设备高中资料电试力卷保相护互装作置用调与试相技互术关，系电，力根保通据护过生高管产中线工资敷艺料设高试技中卷术资配0料不置试仅技卷可术要以是求解指，决机对吊组电顶在气层进设配行备置继进不电行规保空范护载高高与中中带资资负料料荷试试下卷卷高问总中题体资，配料而置试且时卷可，调保需控障要试各在验类最；管大对路限设习度备题内进到来行位确调。保整在机使管组其路高在敷中正设资常过料工程试况中卷下，安与要全过加，度强并工看且作护尽下关可都于能可管地以路缩正高小常中故工资障作料高；试中对卷资于连料继接试电管卷保口破护处坏进理范行高围整中，核资或对料者定试对值卷某，弯些审扁异核度常与固高校定中对盒资图位料纸置试，.卷保编工护写况层复进防杂行腐设自跨备动接与处地装理线置，弯高尤曲中其半资要径料避标试免高卷错等调误，试高要方中求案资技，料术编试交写5、卷底重电保。要气护管设设装线备备置敷4高、调动设中电试作技资气高，术料课中并中3试、件资且包卷管中料拒含试路调试绝线验敷试卷动槽方设技作、案技术，管以术来架及避等系免多统不项启必方动要式方高，案中为；资解对料决整试高套卷中启突语动然文过停电程机气中。课高因件中此中资，管料电壁试力薄卷高、电中接气资口设料不备试严进卷等行保问调护题试装，工置合作调理并试利且技用进术管行，线过要敷关求设运电技行力术高保。中护线资装缆料置敷试做设卷到原技准则术确：指灵在导活分。。线对对盒于于处调差，试动当过保不程护同中装电高置压中高回资中路料资交试料叉卷试时技卷，术调应问试采题技用，术金作是属为指隔调发板试电进人机行员一隔，变开需压处要器理在组；事在同前发一掌生线握内槽图部内纸故，资障强料时电、，回设需路备要须制进同造行时厂外切家部断出电习具源题高高电中中源资资，料料线试试缆卷卷敷试切设验除完报从毕告而，与采要相用进关高行技中检术资查资料和料试检，卷测并主处且要理了保。解护现装场置设。备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况，然后根据规范与规程规定，制定设备调试高中资料试卷方案。
固态电池中锂离子传输动力学
固态电池中的锂离子传输动力学是一个复杂的过程，主要涉及锂离子在固体电解质中的迁移。
在固态电池中，锂离子通过固体电解质进行传输，不同于传统的液态电池中的传输机制。
固态电池中的锂离子传输主要依赖于空位机制，即锂离子在固态电解质中移动时，占据空位或创造新的空位。
在充电过程中，锂离子从负极移动到正极，在正极侧的固态电解质中产生空位。
这些空位随后向负极侧移动，并在负极侧被填充。
固态电池中的锂离子传输动力学还受到其他因素的影响，如固态电解质的晶体结构和缺陷密度。
这些因素可以影响锂离子的迁移路径和速度。
此外，固态电解质的离子电导率也是影响锂离子传输动力学的重要参数。
综上所述，固态电池中的锂离子传输动力学是一个复杂的过程，涉及多种因素和机制。
为了更好地理解这一过程，需要进一步研究固态电解质的物理和化学性质，以及它们与锂离子传输动力学之间的相互作用。
这些研究将有助于改进固态电池的设计和性能，并推动其在实际应用中的进一步发展。
固态电解质锂离子传导机制
固态电解质锂离子传导机制固态电解质是一种能够在固态材料中传导离子的物质。
在锂离子电池中，固态电解质起到了关键的传导作用，影响着电池的性能和安全性。
因此，对于固态电解质锂离子传导机制的研究具有重要的意义。
固态电解质锂离子传导机制主要包括扩散传输、空位传输和离子迁移三个方面。
首先，扩散传输是指锂离子在固态电解质中通过晶格缺陷或孔隙进行传输。
这种传输方式主要受到离子半径、晶格结构和温度等因素的影响。
离子半径越小，离子的扩散速率越快；晶格结构越松散，离子的扩散速率也越快。
此外，温度对离子的扩散速率也有很大的影响，温度越高，离子的扩散速率越快。
空位传输是指固态电解质中离子通过晶格的空位进行传输。
晶格的空位是固态电解质中存在的一种缺陷，离子可以通过这些空位进行传输。
空位传输的速率主要受到晶格缺陷的浓度和类型的影响。
晶格缺陷的浓度越高，空位传输的速率越快；而不同类型的晶格缺陷对空位传输的影响也是不同的。
离子迁移是指离子在固态电解质中通过电场力进行传输。
当外加电场存在时，离子会受到电场力的作用，从而发生迁移。
离子迁移的速率主要受到电场强度、离子电荷和电极材料的影响。
电场强度越大，离子迁移的速率越快；离子电荷越大，离子迁移的速率也越快。
另外，电极材料对离子迁移的速率也有很大的影响，不同的电极材料会对离子迁移产生不同的影响。
总结起来，固态电解质锂离子传导机制主要包括扩散传输、空位传输和离子迁移三个方面。
这些传导机制的研究对于提高电池的性能和安全性具有重要的意义。
未来的研究可以通过调控晶格结构、改变电场强度等手段来进一步提高固态电解质锂离子传导的效率。
锂离子电池中锂离子输运机理研究
锂离子电池中锂离子输运机理研究锂离子电池是现代电子设备中最常见的电池之一，如手机、平板电脑、笔记本电脑等。
由于其高能量密度和长寿命，锂离子电池已成为许多领域的重要驱动力，如电动汽车、能源存储等。
然而，在锂离子电池的使用过程中，锂离子的输运机理是电池的关键问题之一。
锂离子电池中，锂离子的传输通常通过电解液中的离子扩散来实现。
由于锂离子电池中电解液的结构复杂，锂离子的迁移受到多种因素的影响，包括电化学反应、极化效应、扩散层结构等。
因此，研究锂离子电池中锂离子输运机理至关重要。
在锂离子电池的使用过程中，锂离子会被嵌入正极材料和负极材料中。
我国科学家进行的一项研究表明，锂离子在正极和负极材料中的迁移路径和机理是不同的。
在正极材料中，锂离子通过晶格间隙扩散，而在负极材料中，锂离子通常通过界面反应传输。
这种差异可能会导致正极和负极材料之间的不匹配，从而限制电池的性能。
除了在正极和负极材料中的迁移机制之间的差异，锂离子输运所需的能量也有所不同。
在正极材料中，一些材料需要更高的能量才能实现锂离子迁移，这可能会导致在充电或放电过程中，电池中的部分电化学反应不能发生，从而降低电池的效率和壽命。
在研究锂离子电池中的输运机理方面，科学家们还研究了影响其中电化学反应和扩散的因素。
例如，电池中的电解质盐浓度可以影响锂离子的迁移速率和扩散常数。
同时，电极表面的化学成分和电化学行为也非常重要，因为这些因素可以影响电池的稳定性和性能。
总的来说，研究锂离子电池中的输运机理对于实现高性能电池非常关键。
现在，科学家们正在致力于进一步了解锂离子电池中锂离子的输运机理，并基于这些信息来开发更具效率、可靠性和长寿命的电池。
在未来的发展中，锂离子电池还将继续为现代电子设备和清洁能源技术提供重要的动力来源。
锂金属电池 离子迁移行为
锂金属电池离子迁移行为
锂金属电池是一种重要的电池类型，广泛应用于移动设备、电动汽车和储能系统等领域。
其性能和安全性取决于离子迁移行为。
离子迁移行为指的是锂离子在电池中的运动和传输过程，这一过程直接影响了电池的充放电性能和循环寿命。
在锂金属电池中，正极和负极之间的锂离子迁移是电池正常工作的基础。
在充电过程中，锂离子从正极（通常是氧化物）迁移到负极（通常是碳或硅负极），在放电过程中则是相反的过程。
这种离子迁移行为是通过电解质中的离子传导来实现的。
然而，锂金属电池在使用过程中也存在一些问题，比如锂枝晶的产生、电解液的燃烧等。
这些问题很大程度上与离子迁移行为有关。
为了解决这些问题，科研人员一直在努力改进电解质的性能，设计更好的电极材料，以及优化电池结构，以提高离子迁移的效率和安全性。
因此，对锂金属电池离子迁移行为的深入研究和理解，对于改进电池性能、延长电池寿命、提高电池安全性具有重要意义。
希望
未来能够有更多的科研成果和技术突破，推动锂金属电池技术的进一步发展和应用。
锂离子在电解质中的输运方式
锂离子在电解质中的输运方式概述锂离子电池作为一种常用的再充电能源，其关键组成部分是正负极材料之间的锂离子输运。
锂离子在电解质中的输运方式直接影响了电池的性能和循环寿命。
本文将介绍锂离子在电解质中的输运方式，包括扩散运动和迁移运动，并讨论它们对电池性能的影响。
扩散运动扩散运动是指锂离子通过电解质中的扩散过程进行输运。
在这种情况下，锂离子通过热运动在电解质中随机扩散，从高浓度区域向低浓度区域进行自发性输运。
扩散通常受到浓度梯度、温度和电解质的类型等因素的影响。
扩散系数是评估扩散运动速率的关键参数，它描述了单位浓度梯度下锂离子的扩散通量。
扩散系数取决于多种因素，例如电解质的粘度、温度和溶剂颗粒与溶质颗粒之间的互作用。
迁移运动迁移运动是指锂离子在电场作用下通过电解质中迁移的过程。
与扩散运动不同，迁移运动是由于电场驱动而非浓度梯度实现的。
电解质中迁移运动的关键参数是迁移率，它衡量了单位电场下的离子迁移速率。
迁移率取决于离子与电解质溶液中其他离子和溶剂颗粒之间的相互作用。
由于电解质中的阻抗，离子迁移速率通常较慢，这在一定程度上限制了电池的放电速率和充电速率。
影响因素锂离子在电解质中的输运方式受多种因素的影响，下面将分别介绍这些因素及其对输运方式的影响。
1.温度：温度是影响锂离子在电解质中扩散和迁移的重要因素。
一般来说，提高温度可以增加离子的动能，从而促进扩散和迁移运动。
然而，过高的温度可能会引发电解质的分解和其他副反应，影响电池的安全性和寿命。
2.电解质类型：不同类型的电解质对锂离子的扩散和迁移运动有不同的影响。
例如，液体电解质通常具有较高的离子迁移率，但较低的稳定性。
而固体电解质则具有较低的离子迁移率，但较高的稳定性。
在电池设计中，需要根据具体应用需求选择适当的电解质类型。
3.电场强度：在电池工作过程中，电场强度会对锂离子的迁移运动产生影响。
较强的电场可以加速离子迁移，提高电池的放电速率。
然而，过高的电场强度可能导致电解质的分解和锂电池的损坏。
锂离子在有机正极材料固相中扩散路径
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锂电池基础科学问题5
第2卷第5期2013年9月 储 能 科 学 与 技 术 Energy Storage Science and Technology V ol.2 No.5Sept. 2013专家讲座锂电池基础科学问题（V ）——电池界面郑杰允，李 泓（中国科学院物理研究所，北京 100190）摘 要：电池中固液界面的性质对锂离子电池充放电效率、能量效率、能量密度、功率密度、循环性、服役寿命、安全性、自放电等特性具有重要的影响。
对界面问题的研究是锂离子电池基础研究的核心。
本文小结了 锂离子电池电极表面固体电解质中间相（SEI ）形成机理及对其组成结构的认识，介绍了近年来对锂离子输运机制、SEI 膜改性研究以及透射电镜（TEM ）及原子力显微镜（AFM ）中力曲线等实验技术来分析SEI 膜的形貌、厚度、覆盖度及力学性能等实验方法。
关键词：界面；固体电解质中间相膜；表征；锂离子电池 doi ：10.3969/j.issn.2095-4239.2013.05.009中图分类号：O 646.21 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2013）05-503-11Fundamental scientific aspects of lithium batteries (V)——InterfacesZHENG Jieyun ，LI Hong（Institute of Physics ，Chinese Academy of Science ，Beijing 100190，China ）Abstract ：Interfaces play an important role in determining coulombic efficiency, energy efficiency, energy density, power density, cycle performance, service life, safety and self-discharge rate of lithium-ion batteries. We first briefly summarize our understanding of the formation mechanisms and structure of solid electrolyte interphase (SEI). We then introduce experimental techniques for characterizing the SEI including transmission electron microscopy (TEM), atomic force microscopy (AFM), and TG-DSC-MS.Key words ：interface ；solid electrolyte interphase ；characterization ；lithium ion batteries1 锂离子电池界面问题锂离子电池具备优越的综合电化学性能，广泛应用于消费电子领域。
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储 能 科 学 与 技 术 Energy Storage Science and Technology
Vol.2 No.6 Nov. 2013
专家讲座
锂电池基础科学问题（VI）——离子在固体中的输运
郑 浩，高 健，王少飞，李 泓
（中国科学院物理研究所，北京 100190） 摘 要：充放电过程中，锂离子需要在电极活性材料、电极与液态电解质接触界面产生固体的电解质层，全固
Abstract：Operating of lithium-ion batteries includes transport of lithium ion in anode, cathode and solid electrolyte interphase. It is important to determine the properties of ionic transport in solid state materials. In this paper, general ionic transport mechanisms in solids, driving force of ion motions, and factors affecting ionic conductivities are summarized briefly. Differences in the transport properties between intrinsic lithium ion in lattice and external lithium ion through lattice or grain boundaries and the size effect are briefly discussed as well. Key words：ion；conductivity；transport；lithium-ion battery；defects；diffusion 锂离子电池中的电化学反应包括电荷转移、相 变与新相产生以及各种带电粒子 （包括电子、 空穴、 锂离子、其它阳离子、阴离子）在正极和负极之间 的输运。由于离子在固相中的传输一般是电池工作 中最慢的步骤，因此，提高电池的实际输出能量密 度、倍率特性、能量效率，控制自放电率均需要准 确了解和调控离子在固体中的输运特性。
Fi= i/x （3）
相应的质点运动平均速度 vi 正比于作用力 Fi，即
vi=uiFi= uii/x （4）
式中，ui 为单位力作用下，组分 i 质点的平均 速率，或称为迁移率（mobility） ，单位为 m2/(s·V)。
ji=civi= ciui(i/x) （5）
式中，ci 为该组分的浓度。由菲克第一定律比 较可得
j i = D i c i ci/t=·(Dici)
因此有
i/lnNi=RT(1+lni/lnNi)
（10）
式中，i 为组分 i 的活度系数，于是可以得到 扩散系数的一般热力学关系式
Di=uiRT(1+lni/lnNi)Ni)为扩散系数的热力学因子。 （ 1 ）对于理想混合体系：活度系数 i ，则有 Di=Di*=uiRT，通常称 Di*为自扩散系数，Di 为本征 （1） 扩散系数。 （2）对于非理想混合体系：①当(1+lni /lnNi)> （2）
态电池中的固体电解质以及导电添加剂、黏结剂、活性颗粒形成的固固界面传输。一般而言，固相内部及固相 之间的离子传输是电池动力学过程中相对较慢的步骤，因此离子在固体中的传输是锂电池材料研究的重要基础 科学问题。本文小结了固体离子学基础知识中关于离子在固体中的传输机制、驱动力、影响离子电导率的几种 因素等方面的内容，简介了锂离子在正极、负极、固态电解质中的输运特性，讨论了内源锂和外源锂输运特性 的差异以及尺寸效应对于离子输运性质的影响。 关键词：离子；电导率；输运；锂离子电池；缺陷；扩散 doi：10.3969/j.issn.2095-4239.2013.06.010 中图分类号：O 646.21 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2013）06-620-16
第6期
郑
浩等：锂电池基础科学问题（VI）——离子在固体中的输运
年 621
无机固体、聚合物固体及其复合物，其中既有多晶 材料和无定形材料， 也有复合晶态和非晶态的材料。 因此，离子在锂离子电池材料中的输运涉及在单晶 固体、多晶固体和无序固体中的输运问题。 离子在单晶固体中一般通过晶格 （lattice） 中的 格点空位 （vacancy site） 或间隙空位 （interstitial site） 输运。对于多晶固体，离子既可以在晶格中传输， 也可以在晶粒之间的晶界（grain boundary）或者在 颗粒的固液界面 （interface） 以及固气表面 （surface） 传输。离子在实际材料中的传输路径（trajectory） 是重要的基础科学问题。 锂离子电池中的电解质材料为纯离子导体，电 极材料为混合离子导体。由于电中性的要求，充放 电过程中离子和电子会同时嵌入或脱出电极材料 （是否严格时间同步是另外的基础科学问题） 。离子 与电子之间存在着相互作用，混合离子导体中离子 的输运会受到电子输运特性的影响。 无论是混合离子导体还是纯离子导体，在浓度 梯度、化学势梯度、电场梯度的驱动下，内在的和 外在离子可以在固体中或穿过固体传输。发生传输 的离子既可以是来自于晶格内部的内在离子，也可 以是外来离子（如对于电解质、负极来说，来自正 极材料的离子可以视为外来离子） 。 上文提到的离子在固体中的输运问题是固体 离子学的核心研究内容，对这部分内容有兴趣的 读者可以参看相关的专著和综述类文献 [1-2]。本文 首先简要总结关于离子输运的基础知识，之后总 结锂离子电池电极材料、电解质材料的离子输运 特性。
Fundamental scientific aspects of lithium batteries (VI)— Ionic transport in solids
ZHENG Hao，GAO Jian，WANG Shaofei，LI Hong
（Institute of Physics，Chinese Academy of Science，Beijing 100190，China）
Di=ciui(i/ci) （6）
由于
ci/c=Ni，dlnci=dlnNi （7）
则有
Di=ui(i/lnNi) （8）
1
离子输运参数的描述
对于非理想体系物质 i 的化学势
i i0 RT (ln Ni ln i )
（ 9）
锂离子在固体中的输运主要使用扩散系数 （ diffusion coefficient ， D ） 和 离 子 电 导 率 （ ionic conductivity，）来进行描述。 离子的输运是在各种梯度力的作用下，如浓度 梯度、化学势梯度、电场梯度所产生的宏观的扩散 或者迁移行为。 对于理想体系， 物质 i 存在的浓度梯度ci 驱动 其扩散的过程可以由菲克第一定律和菲克第二定律 来描述，即
vi ui RT ci ci ci RT
（21）
电导率的定义为
=j/
（13）
由此可以得到离子的流量表达式
ji ci vi ui RT ci ci RT Di ci ci （22） RT
622 年
储
能
科 学
与
技
术
2013 年第 2 卷
0，则 Di>0，称为正常扩散，即物质流将从高浓度 处流向低浓度处，扩散的结果使溶质趋于均匀化； ②当(1+lni /lnNi)<0， 则 Di<0， 称为反常扩散或逆 扩散，扩散的结果使溶质偏聚或分相，如固溶体中 的某些元素偏聚、玻璃在旋节区分相和晶界上选择 性吸附过程等。 当外电场加到材料上时，电流或快或慢地会达 到一个稳态直流值。我们可以通过在电场存在下出 现的带电粒子数和它们的迁移速度来表示稳态过 程。电流密度 ji 与漂移速度 vi 之间有
式中， 为考虑到任何场畸变的电场强度，因此
=nizie(vi/)
（14）
迁移速度正比于局部作用的电场强度，迁移率 由以下比值确定
ui=vi/
（15）
式(22)也叫做能斯特-普朗克方程，也可以看作 是扩散系数的定义。其中扩散系数和迁移率的关系 如下
Di ui RT
（23）
需要指出的是， 以上为一般性的关于浓度梯度、 因此，电导率是载流子浓度和迁移率的乘积，即 化学势梯度及电场梯度驱动下带电粒子输运的讨 =nizieui （16） 论，未考虑固体材料的结构特点。在固体中，离子 的输运机制与结构有关，存在不同的输运机制。固 由于材料的实际电导率由多种载流子贡献而 体中浓度梯度、电场梯度的建立与材料的结构、电 成，则 子及离子的电导率有关。具体到微观的原子尺度， = i （17） 驱动力如何作用于内在和外来的可迁移离子，浓度 梯度与电场梯度在空间分布的非线性和受结构因素 由此定义迁移数（transference number）为 的制约，都使问题更为复杂，需要深入的理论分析 ti=i/ （18） 和实验研究。 迁移数是指各种可动的导电粒子在导电过程中 的导电份额。对于电极材料而言，希望电子和离子 的输运速度都比较高，对于电子和离子迁移数的比 值没有严格要求。对于电解质材料而言，希望对于 电子是绝缘体，电子的迁移数应小于 1%，以防止 内部短路和自放电。电解质材料希望工作离子的输 运对电流起主要贡献，如希望锂离子电池的电解质 中锂离子的迁移数尽可能的高。对于固态锂离子导 体而言，这一要求多数情况下能满足。对于液态的 电解质，一般锂离子的迁移数在 0.2～0.4，阴离子 的迁移对离子电流产生了较大贡献，这会引起在电 极侧的极化，增大了界面传输的电阻。 根据斯托克斯-爱因斯坦方程， 离子的漂移速度
菲克第一定律（Fick first law）描述了浓度梯度 驱动的空间中的物质流，物质 i 将沿其浓度场决定 的负梯度方向进行扩散，其扩散流大小与浓度梯度 成正比。扩散系数 Di 反映了物质 i 扩散的能力，单 位是 cm2/s。 菲克第二定律描述了物质 i 在介质中的 浓度分布随时间发生变化的扩散。菲克定律是一种 宏观现象的描述，它将浓度以外的一切影响物质扩 散的因素都包括在扩散系数之中。 对于非理想体系，用化学势梯度i 来代替浓 度梯度ci。设某多组分体系中，i 组分的质点沿 x 方向扩散所受到的力 Fi 应等于该组分化学势i 在 x 方向上梯度的负值，即