掃地（dì）機用12v錳酸鋰鋰電（diàn）池充電和放電方法

【研究（jiū）背景】

自1991年（nián）商（shāng）業化以來，可充鋰離子電池（LIBs）在（zài）便攜式電子設備、電（diàn）動汽車（chē）和智（zhì）能電網等領域占據了儲能市場的（de）主導地（dì）位。然而，到目（mù）前為止獲得的電池能量密度仍然不能滿足（zú）日益增長的儲能需求，特別是對於續航裏程超過500公裏的（de）遠（yuǎn）程電動（dòng）汽車而言。盡管不同類型的電池（高電（diàn）壓LIBs、Li-S電池和鋰金屬電池）已經得到了廣泛的研究，但能量密度超（chāo）過（guò）300 Wh kg^-1仍然具有挑戰性。除了（le）考（kǎo）慮電極材料容量外，還需要考慮電池的其（qí）他參數，例如：麵（miàn）積載量密度、正極（jí）和負極之間的電壓差、初始容量和初始庫（kù）侖效率（lǜ）。

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【成果簡介】

最近，中科院（yuàn）長春應（yīng）化所明軍研究員，漢陽大（dà）學Yang-Kook Sun教授和阿卜杜拉國王科技大學Husam N. Alshareef教授（共（gòng）同通（tōng）訊作者）提出了一種新的經（jīng）驗模型，該模型除了考慮電極容量外，還（hái）考慮了多個設計參數，包括麵積載量密（mì）度、電壓差、初（chū）始容（róng）量（liàng）平衡以及（jí）初（chū）始庫（kù）侖效率來估計可實（shí）現的能量密度。使用該方法用於預測電池能量密（mì）度，可達實現300 Wh kg^-1以上。同時該模型表明，電極材料的儲鋰容量隻（zhī）是影響（xiǎng）最（zuì）終（zhōng）電池能量密度的幾個重要因素之一。本文的模型打破了傳統估計電池（chí）能量密度的模式，為設（shè）計更（gèng）高能量密度的電（diàn）池提供了一個直接的（de）指導。相關研究成果以“An Empirical Model for the Design of Batteries with High Energy Density”為題發表（biǎo）在ACS Energy Lett.上。

【核心內容】

一、模型的描述

在傳統的認識中，鋰離（lí）子電池的能量（liàng）密度（E）在很大程度上可以（yǐ）由其電極（jí）材料決定（dìng）：

其中（zhōng），Q和m是電池的容量和質量，變量U是正極和負極之間的電位差，這與正負極（jí）和基本（běn）電子電（diàn）荷的費米能級有關，然而，電子在真空水平上（費米能（néng）水平）的電位與實際不一樣。此外，雖然電壓（yā）差可（kě）以用兩個（gè）電極中（zhōng）Li的電（diàn）位差來表示，但（dàn）電壓差隨電池充電狀態（tài）（SOC）的變化而變化。因此，引入（rù）了平均電壓差（ΔU）來簡化E的計算，變量Q表示電池容量，由Q=C_pm_p可以計算出電池容量，其中（zhōng）C_p和m_p分別（bié）表示正極的可逆比（bǐ）容量和總質量載量，E的表達式可以寫成（chéng）：

其中，常數k代表為k=（m_p+m_n）/m。因此，E的表達式可以寫成：

K的大小受很多的因素的影響，如電極材料特性（顆粒大小，比表麵積）、電極（jí）製備（bèi）過程（麵積載量（liàng）密度、壓實密度）、隔膜、集流體和包裝工藝。因此，k值是一個通用常數，可以用於不同類型的電池，目（mù）前很難直（zhí）接計算k值。但是，可以通（tōng）過當前LIBs的實際能量密度（dù）得到一個經驗值。

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最後（hòu），引入了正極和負極之（zhī）間的平衡初始容量（χ），其（qí）中（zhōng）χ=C_nm_nε_p/C_pm_pε_n，將（jiāng）其引入公式（shì）3：

當（dāng）χε_n/ε_p=1.1時（shí），這意味著負極的可逆容量比正極高10%，這是目（mù）前大多數電池設計中所要求的。

圖1. LIBs示意圖和能夠影響其能量密度的因（yīn）素。（a）電池示意圖（tú）及其參數；（b）運用簡（jiǎn）單模型實現高能量密度的方法。