電力監測設備3.0V磷酸鐵鋰電池技術資料

隨著對智（zhì）能手機，電動汽車和可（kě）再生能源的需求持續增長，科學家們正在尋找（zhǎo）改進鋰離子（zǐ）電池的方法-鋰離子電池是家用電子產品中最常見的電池類型，也是電網規模儲能的有前途的解決（jué）方案。提高（gāo）鋰離子電池的能（néng）量（liàng）密度可（kě）以（yǐ）促進具（jù）有長效電池的先進技（jì）術的（de）發展，以及（jí）風能和太陽能的廣泛使用（yòng）。現在，研究（jiū）人員在實（shí）現這一（yī）目標方（fāng）麵取得了重大進展。

由馬裏蘭大學(UMD)，美國能源部(DOE)布魯克海文國家實驗室和美國陸軍研究實驗室的科學家領導的合作開發並研究（jiū）了一種能夠使（shǐ）鋰離子能量密度增加三倍的新型陰極材（cái）料（liào）。電池電極。他們的研究成果於6月13日在NatureCommunications上發表。
鋰電（diàn）池的低溫性能比鉛酸蓄電池要差
“鋰離子電池由陽極和陰極組成，”UMD科學家和該論文的主要作（zuò）者之一的秀林秀說。“與鋰離子電（diàn）池中使用的商用石墨陽極的大容量相比，陰（yīn）極的容量更加有限。陰極材料始終是進（jìn）一步提（tí）高鋰離子電池能量密（mì）度（dù）的瓶頸。”

UMD的科學家們（men）合（hé）成了一種新的陰極材料，這是一種改良的工（gōng）程形式的三氟化鐵(FeF3)，由經（jīng）濟有效和環境友（yǒu）好的元素-鐵和氟組（zǔ）成。研究人員一直對在鋰離子電池中使用FeF3等化合物感興趣，因為它們具有比傳統陰極材料更高的容量。

“通常用於鋰離子電池（chí）的材料都（dōu）是基於插層化學，”布魯克海文的化（huà）學（xué）家和該論文的主要作者之一EnyuanHu說。“這種類型的化學反應是非常有效的;但是，它（tā）隻轉移一個電子，因此陰極容（róng）量是有限的。一些（xiē）化合物如FeF3能夠通過更複雜的（de）反應機製轉移多個電子，稱為轉（zhuǎn）化反應。”
鋰電池，鉛酸蓄電池，燃料電池，鎘鎳（niè）電池，鎳氫電池，幹電池這些電池有很大的（de）區別
盡管FeF3具有增加陰極容量的潛力，但該化合（hé）物（wù）在（zài）鋰離子（zǐ）電（diàn）池中的表（biǎo）現並（bìng）不理想，因（yīn）為其轉化反應存在三個並發症：能（néng）效差(滯後)，反應速度慢（màn），副反應可能導致循（xún）環壽命不佳。為了克服這些挑戰，科學家們通過一種（zhǒng）稱為（wéi）化學替（tì）代的（de）過程將鈷和氧原子添加到FeF3納米棒中。這（zhè）使科學家能夠操縱反應途徑並使其更具（jù）“可逆性”。

“當鋰離子被插入到（dào）FeF3中時，這種物（wù）質會轉化為鐵和氟化鋰（lǐ），”該論文的合著者和布魯克海文（wén）功能（néng）納米材（cái）料中心(CFN)的科學家SooyeonHwang說。“然而，反（fǎn）應不（bú）是完（wán）全（quán）可逆的（de）。用鈷和氧取（qǔ）代後，陰極材料的主（zhǔ）要骨架更好地保持，反應變得更加（jiā）可逆。”
鋰電池組保護板基本（běn）功（gōng）能為：防止過充電，防止過放（fàng）電，控製電池溫度（dù），均衡電池。
為了研究（jiū）反應（yīng）途徑，科學（xué）家們在CFN和國家同步加速器光源II(NSLS-II)-布魯克海文的兩個DOE科學用戶設施辦公室（shì）進行了多次實驗（yàn）。

首先在（zài）CFN，研究人員使用強大（dà）的電（diàn）子束以（yǐ）0.1納米的分辨率觀察FeF3納米棒-一種稱（chēng）為（wéi）透射電子顯微鏡（jìng）(TEM)的技術。TEM實驗（yàn）使研究人（rén）員能夠確定陰極結構中納米顆粒的確切（qiē）尺寸，並分析結構在充電-放電（diàn）過程（chéng）的不同階段之間如何變化。他們看到取代納米（mǐ）棒的（de）反（fǎn）應速度更快。

“TEM是一種用於表征非常小尺（chǐ）度材料的強大工具，它還能夠實時研究反（fǎn）應過程，”CFN的科學家和該研究的共同作者DongSu說。“然（rán）而（ér），我們（men）隻能使用TEM看（kàn）到非常有限的樣（yàng）品區域。我（wǒ）們需要依靠NSLS-II的同步加速器（qì）技術來了解整個（gè）電池（chí）的功（gōng）能。”
三元鋰電池的常規性（xìng）能有電（diàn）壓，容量，內阻
在NSLS-II的X射線粉末衍射(XPD)光束線上，科學家們通過陰（yīn）極材料引導了超亮X射線。通過（guò）分析光散（sàn）射的方式，科學家們可以“看（kàn）到”有關材（cái）料結（jié）構的（de）其他信息。

“在XPD，我們進行了配對分布功能(PDF)測量，能夠檢測大量的當（dāng）地鐵排序，”該論文的合著者和NSLS-II的科學家白建明說。“對放電陰極的PDF分析清楚地表明，化學替代促進了電化學的可逆性。”
鋰電池的內阻和電池的材料，製造（zào）工藝，電池結構等因素的影響（xiǎng）
在CFN和NSLS-II上（shàng）結合（hé）高度先進的成像和顯微技術是評估（gū）陰極材料功（gōng）能的關鍵步驟。

“我們還進行了基於密度泛函理論的先進計算方法，以破解原子尺度的反應機製，”UMD的科學家，該論文的共同作者肖驥說。“這（zhè）種方法表明化學替代（dài）通過減少鐵的粒徑和穩定岩鹽相將反應轉變為高度可逆的狀態。”UMD的科學家表示，這種研究策略（luè）可以應用於其他高能轉換材料，未來的研究可能使用該方法來改進其（qí）他（tā）電（diàn）池係統。

近年來，隨著鋰電技術的不斷進步與實際（jì）成本逐漸下降，鋰電（diàn）池在電動工具領域的應用（yòng）越來越多，現階段各大巨頭（tóu）廠商提出電動工具無繩化的想法後，使得鋰電池在電動工具領（lǐng）域有著廣闊的前景空間。

與（yǔ）此同時，人工智能（néng）的（de）興起，鋰電家居產品、園林工具等新興智（zhì）能工具類產品得到了迅速發展的機會，鋰電池的應用並不再局（jú）限（xiàn）於單個領域。其中根據（jù）業內人（rén）士稱，鋰電類電動工具、園林工具未來市場趨（qū）勢正如清晨的（de）朝（cháo）陽。電動工具鋰電化（huà）除了市場的推（tuī）動與自身潛力外，還得到了國（guó）家地區政策（cè）的支持。例如歐盟早已禁止無線電動工具使用（yòng）鎳鉻電池，鋰電（diàn）電（diàn）動工具（jù）的普及率與替換（huàn）率也（yě）遠遠領先於國內市（shì）場;中（zhōng）國則是重新製定了電動工具鋰電池使用行業標準。

鋰電化無繩化意味著電（diàn）動工具將會朝著更小體積、更輕重量、更低噪聲等方向（xiàng）發展，然而仍不可避免“副作用”的出現，那就（jiù）是鋰電池中的鋰離子熱失控。鋰離子的工作溫度（dù）範圍是在+15～+45攝氏度之間，如果溫度超出臨界水平，則（zé）會（huì）導致電池單元功能（néng）安全、使用壽命縮（suō）短、不穩定（dìng）性以及（jí）可能發生的熱失控。
鋰電池充電方法很多，但無論哪種鋰電池的充電首先（xiān）要包裝安全
那麽鋰電池中鋰離子是（shì）如（rú）何發生熱失控的呢?如果工具發生強烈的碰撞或高處跌落，電（diàn）池有可能發生變形;材料則（zé）會滲透到電池裏，引起（qǐ）內部短路或（huò）外部短路的現象;再（zài）者（zhě）過度充電或快速充電時電流過大，極其有可能會永久損壞電池（chí）。
鋰電池的一致性通（tōng）過分容來（lái）解決
熱失控發生後就猶（yóu）如多米諾骨牌效應一樣，電池中儲存的能量會突然（rán）釋（shì）放，從而產（chǎn）生火災。另外電池（chí）數量越多（duō）、能量密度越高、充放電功率越大，就意（yì）味著發生起火故障的概率就越高。

為了確保把熱失控的風險降到最（zuì）低，伊利諾伊大學芝加哥分校研究（jiū）人員發布了一份研究報告，報告中表明（míng），石墨烯材料可以（yǐ）從鋰離子電池著火時吸走氧氣，可以防止陰極釋放的（de）氧氣與電池內其（qí）他易燃品相結合，從而降低起火風險，減少事（shì）故損失。