手持POS機用12v鈷酸鋰電池使用說（shuō）明書

【研究背（bèi）景】

自1991年商業化以來（lái），可充鋰離（lí）子電池（LIBs）在便攜式（shì）電子設備、電動汽車（chē）和智（zhì）能電網等領域占（zhàn）據了儲能市場（chǎng）的主導地位。然而，到目前為止獲得的電池（chí）能量密度（dù）仍（réng）然不能滿足日益增長的儲能需求，特別是對於續航裏程超過500公裏的遠程電動汽（qì）車而言。盡管不同類型的電池（高電壓LIBs、Li-S電池和鋰（lǐ）金屬電池）已經得到了廣泛的研究（jiū），但（dàn）能量密度超過（guò）300 Wh kg^-1仍然具有（yǒu）挑戰性。除了考慮電極材（cái）料容量外，還需要（yào）考（kǎo）慮電池的其（qí）他參數，例如（rú）：麵積載量密度、正極和負極之間的電壓差、初始（shǐ）容量（liàng）和初始（shǐ）庫侖效率。

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【成果簡介】

最近，中（zhōng）科院長春應化所明軍研究員（yuán），漢陽大學Yang-Kook Sun教授和阿卜杜拉國王（wáng）科技大學Husam N. Alshareef教授（共同通訊（xùn）作者）提出了一種新（xīn）的經驗模型，該模型除了（le）考慮（lǜ）電極容量外，還考慮了多個設計參數，包括麵積載量密度、電壓差、初始容量平衡以及初（chū）始庫侖效（xiào）率來估（gū）計可實現的能量密（mì）度。使用該（gāi）方法用於預測電池能量密度，可（kě）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是影響最終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能量密度的模式，為設計更高能量密度的電池提供了（le）一個（gè）直接的指導。相關（guān）研究成果（guǒ）以“An Empirical Model for the Design of Batteries with High Energy Density”為（wéi）題發表在ACS Energy Lett.上。

【核心內容（róng）】

一、模型的描（miáo）述

在傳統的認（rèn）識中，鋰（lǐ）離子電池的能量密度（E）在很大程度（dù）上（shàng）可以由其電（diàn）極材料決定：

其中，Q和（hé）m是電池的容量和質量，變量U是正（zhèng）極和負極之間的電位差，這（zhè）與正負極和基本（běn）電子電荷的（de）費米能級有關，然而，電子在真（zhēn）空水平上（費（fèi）米能水平）的電（diàn）位與（yǔ）實際不一樣。此外，雖然電壓差可以用兩個電（diàn）極中Li的電（diàn）位差來表示，但（dàn）電壓（yā）差隨電池充電狀態（SOC）的變化而變化。因此，引入了平均電壓差（ΔU）來簡化E的計算，變量Q表示電池容（róng）量，由Q=C_pm_p可以計算出電池容量，其（qí）中C_p和m_p分別表示正極的可逆比（bǐ）容量和（hé）總質量載量，E的表達式可以寫成：

其（qí）中，常（cháng）數k代表為k=（m_p+m_n）/m。因此，E的表達式（shì）可以寫成：

K的大小受很多的因素的影響，如電（diàn）極材料特性（顆粒大小（xiǎo），比表麵積）、電極製備過程（chéng）（麵積載量密度、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，目前很難直（zhí）接計算k值。但是，可以通過當前LIBs的實際能量密度得到一個（gè）經驗值。

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最後，引入了正極和負極之間的平衡初始（shǐ）容量（χ），其中χ=C_nm_nε_p/C_pm_pε_n，將其引入公式3：

當χε_n/ε_p=1.1時，這意味著負（fù）極的可逆容量比正極（jí）高10%，這是目前大多數電池（chí）設計中所要（yào）求的。

圖1. LIBs示意圖（tú）和能夠影（yǐng）響（xiǎng）其能量密度的（de）因素。（a）電（diàn）池示意圖及（jí）其參數；（b）運用簡單模型（xíng）實現高（gāo）能（néng）量密度的方法。