电池材料如何影响电池效率

先进的电池材料。30147D

电池的化学成分可能是非常微妙的。电池内的活性材料在释放能量的过程中共同发挥作用,材料的选择可以决定电池的效率。然而,不希望发生的化学反应也可能发生,影响电池的安全和寿命。不同的材料会导致不想要的结果,如树枝状结晶的形成、短路和热失控,而电极的退化则可以根据材料的组合来避免或促进。

电池是由多个部分组成的;主要的活性材料是阳极、阴极和电解质。大部分的 电池材料研究 重点是测试这些部件的材料。不同的材料有不同的优点和缺点,可以单独使用,也可以与其他材料结合使用。在这篇文章中,我们介绍了一些正在使用或正在研究的用于这三种关键活性材料的材料。

阳极

电池的阳极是负极,向阴极释放离子以产生电荷。在可充电电池中,阳极在充电时成为正极,收集和储存离子,以便在需要时释放。

理想的阳极是具有高储存能力并能长期保持这种能力的阳极。已发现金属电极可携带最高数量的离子;因此,在理论上,纯金属是最有效的阳极材料,因为它提供了高能量容量。然而,它们也可能是高度反应性的,使得它们很难被使用。锂金属就是这样一个例子。锂金属的问题之一是树枝状物的形成,在这个过程中,锂在阳极表面不均匀地合成,形成树枝状结构,可以刺穿隔膜,导致电池短路。

金属镁是另一种理论容量大的金属,但在工作中会有困难。金属镁与电解质发生反应,导致电解质自发分解,形成固体电解质间相(SEI)层。这在其他电池成分中也会发生,但对于镁来说,这层是离子绝缘的,这意味着阳极不能再释放或接收离子,基本上使电池失去了作用。在这种情况下,不那么敏感的阳极-电解质组合将更加实用。

石墨被认为是作为阳极的有利选择,因为它很丰富,具有天然的导电性,并且不会出现枝晶形成的问题。目前,它是锂离子电池中常见的阳极材料,但在与钠或镁离子配对时却不那么成功。A 研究 他说,这可能是因为它们与特定基质的化学结合最弱,导致能量容量较低。这表明,虽然一种材料在一种情况下可以很好地工作,但在另一种情况下可能不会很好地工作。

阴极

阴极的工作方式与阳极相反。放电时它是正极,接收来自阳极的离子,而充电时它是负极。

与阳极类似,理想的阴极应具有较高的容量,并且在可充电电池中,能够在不影响电池的情况下逆转化学过程。 

钴是一种通常用作锂离子电池正极的材料;它提供了高能量密度,这就是为什么它是一个受欢迎的选择。然而,它有一个 有限的温度范围 并且存在热失控的风险。由于它是一种重金属,在电池处理方面也有许多环境问题。特斯拉等公司正在将重点转移到开发无钴电池。

硫是一种受欢迎的阴极材料,因为它很丰富,而且具有很高的电化学潜力。硫磺本身具有低导电性,通常与碳纳米管等导电材料混合以改善这一问题。然而,也有一个明显的体积膨胀问题。A 研究 发现,硫磺阴极在循环后增加了170%。这引起了阴极的机械应变,这可能导致其结构出现裂缝,极大地影响了电池的性能。

空气与多种材料相结合,也被探索为一种阴极替代物。这背后的想法是在化学过程中利用环境空气中的氧气。与硫磺一样,空气具有很高的理论容量。根据空气所搭配的材料,空气的缺点也不同。通常情况下,基材的表面积与电池的真实容量成正比。然而,在锂空气电池中,已经发现孔径大小更为重要,因为较小的孔径可能会被化学反应过程中形成的锂氧化物沉淀物所堵塞。

电解质

作为离子在阴极和阳极之间移动的媒介,电解质是一个正常运作的电池的重要组成部分。然而,它应该是化学过程中的一个被动部分。因此,理想的电解质材料应该是导电的,但不是反应性的。由于电解质与电极直接接触,可能会发生不必要的化学反应,干扰电池的性能。

有机电解质是首选,因为它的电化学窗口很宽。这意味着它可以在很宽的电压范围内保持稳定而不发生分解。

这些电解质通常由溶解的金属盐组成。然而,由于这些材料是有机的,它们会被分解。分解产生的产品和气体可能是有毒的,并损害电池的完整性。

众所周知,有机电解质也是易燃的。水性电解质解决了这个问题。其中一种类型,即盐类电解质中的水,具有广泛的电化学窗口,并且比有机电解质具有更高的导电性。这可能是更安全的电池的一个可行的替代品。

固体电解质 作为一种可能的替代物,正在慢慢获得认可。尽管理论上它的电导率较低,但固态电池有其优势,包括安全和抑制树枝状晶体的形成。  

总结

应根据电池的应用来选择和优化电池材料。不同的阴极、阳极和电解质组合可以 提高电池的一个质量,但损害了另一个质量.优化能量容量的电池可能只能在较低的比功率下运行,而在其他情况下,这可能是相反的。例如,一些应用,如电网存储,可能需要一个大的能量容量,而另一些应用应优化功率输出。在许多情况下,这些原材料经常被加工,以减少不必要的化学反应的发生或容量的损失。例如,锂电池经常要经过 石化前 以补偿在循环过程中损失的活性锂含量。石墨也可能经历一个氟化过程,以增加其表面积和整体电池容量。

研究人员正在不断寻找电池材料的终极组合,以创造安全、可靠和耐用的储能解决方案。 

参考资料。 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590049819301201


了解阿尔宾如何帮助研究人员测试他们的 电池材料.

发布在

阿尔滨团队

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