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二次锂空气电池研究的快速发展及其急需解决的关键科学问题

第29卷第2期无机材料学报

Vol. 29

No. 2

2014年2月

Journal of Inorganic Materials Feb., 2013

收稿日期: 2013-09-03; 收到修改稿日期: 2013-09-17

作者简介: 郭向欣(1973–), 男, 博士, 研究员. E-mail:xxguo@https://www.wendangku.net/doc/e95306602.html,

文章编号: 1000-324X(2014)02-0113-11 DOI: 10.3724/SP.J.1077.2014.10003

二次锂空气电池研究的快速发展及其急需解决的关键科学问题

郭向欣1, 黄诗婷1, 赵宁1, 崔忠慧1, 范武刚1, 李驰麟1, 李泓2

(1.中国科学院上海硅酸盐研究所, 上海200050; 2.中国科学院物理研究所, 北京100090)

摘要: 二次锂空气电池在实现超高能量密度方面具有巨大的潜力, 因而成为近年的研究热点。针对电池的反应机制、循环寿命、过电势及倍率性能等关键问题, 国内外科学家开展了大量的研究工作, 取得了显著的进展。本文依据这些最新的研究进展, 结合作者在这些方面的探索和体会, 以关键科学问题为主线, 总结了近年来二次锂空气电池发展过程中的积极进展和面向实际应用迫切需要解决的科学问题。

关键词: 二次锂空气电池; 惰性电解质; 高能量密度; 电池性能; 反应机制; 综述中图分类号: TQ152; TM911 文献标识码: A

Rapid Development and Critical Issues of Secondary Lithium-air Batteries

GUO Xiang-Xin 1, HUANG Shi-Ting 1, ZHAO Ning 1, CUI Zhong-Hui 1, FAN Wu-Gang 1, LI Chi-Lin 1, LI Hong 2

(1. Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China; 2. Institute of Physics, Chinese

Academy of Sciences, Beijing 100090, China)

Abstract: Rechargeable lithium-air batteries have been the focus in recent years, owing to their great potential for achieving super-high specific energy density. Many researchers have carried out investigations on crucial issues such as reaction mechanism, cycle life, overpotential, rate capability, and significant progresses have been made. Based on these efforts, in combination with our own experience, this paper summarizes recent development of secondary lith-ium-air batteries, and our opinions on the critical scientific issues which are urgently required to solve in view of real application.

Key words: secondary lithium-air batteries; aprotic electrolytes; high energy density; battery performance; reacti-

on mechanism; review

二次锂空气电池采用金属锂或含锂材料作为负极, 空气作为正极, 以不含水的有机电解液或水与非水体系共存的非对称电解质、水系电解质或固体电解质作为工作电解质(其中电解质、电极也可以为流动相)。与其他电池体系相比, 该体系理论上具有最高的比能量密度(如图1所示)[1-3]。如果将它应用于电动汽车电池, 且最终系统能量密度达到800 Wh/kg, 则续航里程即一次充电行驶里程将能够达到800 km, 可以和燃油汽车相比拟。因此, 近年来关于二次锂空气电池的研究迅速增加。根据Web of Knowledge 统计(如图2所示), 以“lithium air batteries or lithium oxygen batteries ”为关键词检索所获得的发表论文

和授权专利数量近年来大幅增加, 2012年发表文章接近1300篇, 授权专利接近800项。

锂空气电池的研究已获得美国政府(DOE, EIH 项目, 包括锂空气电池研究, 1.2亿美元)、日本政府(NEDO, Rising 项目包括锂空气电池研究, 300亿日元)、我国政府(科技部973项目, 锂空气电池项目, 1500万人民币)的国家重点研究计划项目资助。不仅如此, 二次锂空气电池还受到诸多国际大公司的关注。例如, IBM 公司在2009年设立了“Battery 500 Project ”, 研究锂空气电池驱动的小型汽车实现续航里程800公里的可能性, 或者作为笔记本、远程传感器及智能机器人等供电电源的可能性。随后, 又于

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2012年联合Asahi Kasei 和Central Glass 两家知名公司继续拓展锂空气电池方面的研发。丰田汽车公司(Toyota Motor Corporation)也是最早对外公布开展锂空气电池研发的大型公司之一。在取得了一系列进展并获得多项专利之后, 该公司又于2013年联手宝马汽车(BMW), 共同开发锂空气电池。大家共同的期望是在2020年之前实现二次锂空气电池的商业化, 使之能够真正应用于电动汽车或其它领域。

图1 不同类型电池的比能量密度(Wh/kg)与其作为动力电池可能实现的续航里程的对比

Fig. 1 Gravimetric energy densities (Wh/kg) for various bat-

tery systems and their potentials for driving range

图 2 近年锂空气电池相关的论文发表数目(a)和授权专利数目(b)

Fig. 2 Numbers of publications (a) and authorized patents (b) from Web of Knowledge until Aug. 16th , 2013

然而, 作为一种新的电池体系, 能否成功应用既要考虑它的能量密度, 还需综合考评它的功率密度以及成本、安全性、能量效率、自放电、循环寿命、服役寿命、环境适应性、环境污染等诸多因素。事实上, 利用锂空气电池驱动电动汽车的设想在上世纪70年代就已被提出[4]。1996年Abraham 和Jiang 报道了聚合物电解质体系的二次锂氧气电池, 提出了2Li + O 2 → Li 2O 2的放电机理[5]。在随后的十年里这方面的研究没有明显的进展。2006年, Bruce 等报导采用碳酸酯类电解液体系的锂氧气电池循环50次后仍保持600 mAh/g carbon 的容量[6], 锂空气电池作为新一代二次电池才引起了人们的关注。随后的研究报道大多延用碳酸酯类电解液作为工作电解质, 在空气电极构筑、锂氧反应催化剂及氧输运等方面做了大量的探索工作(在以往发表的相关综述中都有相关论述[1, 2, 7-12] , 在此不再累述)。但是2010以后, Mizuno 、Bruce 和McCloskey 等科学家发现并证实碳酸酯类电解液体系的锂空气电池存在电解液严重分解的问题[13-15]。电池的循环主要来自于电解液分解造成的副产物的反复形成和分解, 而不是Li 2O 2的可逆生成与分解。因此, 建立稳定的电解液体系成为首要条件, 表征电池工作过程中Li 2O 2的可逆生成和分解也成为必然。随后, 在相对稳定电解液体系建立之后, 锂空气电池的研究又出现新一轮的快速发展。怎样在保持高比能量密度优势的同时延长电池的循环寿命、提升电能转换效率和倍率性能, 以及怎样完成从锂氧气到锂空气的转变受到广泛关注。真正解决这些问题可能需要经历很长的过程, 正像IBM 研发团队所说“作为汽车的动力电池, 从镍金属氢到锂离子电池的转变大约经历了35年的研发。如果锂空气电池能够成功应用, 它应该有类似的历程”[1]。

本文将主要针对当前最受关注的非水有机电解液体系的二次锂空气电池, 结合本课题组的前期研究工作, 重点论述所涉及的关键科学问题的研究进展, 展望发展趋势。对于其他体系以及电池应用涉及的技术问题, 可参考文献[1-2, 11]。

1 二次锂空气电池(有机电解液体系)反应机制与反应产物的表征

理想情况下, 基于有机电解液体系的二次锂空气电池放电时, 在以多孔碳为代表的空气正极表面发生2Li + + O 2 + 2e - → Li 2O 2的反应, 其热力学平衡电位在2.96 V 。这时, 电子通过外电路从负极输运

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到正极。计入氧气的质量, 该反应可获得的理论比能量密度为3505 Wh/kg; 考虑反应前Li和反应后Li2O2的体积, 能够获得的体积能量密度是3436 Wh/L[2]。电池充电时, 发生Li2O2 → 2Li+ + O2 + 2e-的反应, Li2O2分解生成氧气和Li+, 电子通过外电路从正极重新回到负极。可见, 电池化学反应的核心是Li2O2的可逆生成和分解, 反应产物的表征是研究的首要问题。

事实上, 电池循环之后能够探测到Li2O2并不容易, 这可归因为多种因素: 一是Li2O2对空气敏感, 遇到水分很快形成LiOH, 使很多检测手段受到限制; 二是很多研究都采用粘结剂和碳材料相混合的多孔正极, 小尺寸的孔道限制了Li2O2颗粒的长大, 而且生成的Li2O2聚集在碳材料的内部空隙之中; 另外, 反应过程中生成的副产物, 往往包覆在Li2O2颗粒的表面。以上因素增加了探测Li2O2的难度, 这也是最初碳酸酯类电解液体系的锂空气电池研究中, 缺少对Li2O2的分析表征的重要原因之一。

产物表征是探索反应机理的基础, 对二次锂空气电池的研究至关重要。基于这一共识, 近年来人们开发了大量表征反应产物的技术手段, 包括X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)[16-18]、拉曼光谱(Raman spectroscopy)[19]、红外光谱(FTIR)[14,20-21]、电化学气相质谱仪[15,22-23]、光电子能谱(X-ray photoemission spectroscopy, XPS)[24-26]、扫描电子显微镜(Scanning electron microscope, SEM)[24,27]、透射电子显微镜(Transmission electron microscope, TEM)[28-29]和基于同步辐射光源的多种X射线技术[30-33], 以及原位原子力显微镜[34]等。本文对于以上的各项工作不做详细介绍, 而将从空气正极构筑的角度, 结合本实验室在产物表征和分析机理的工作, 阐明这方面的发展历程和尚需解决的关键科学问题。

针对前面提到的探测Li2O2的困难, 我们在空气正极的构筑方面选择了生长在不锈钢网上的垂直定向碳纳米管(Vertically aligned carbon nanotubes, V ACNTs) [35-36], 它的微观结构如图3所示。从图3中不难发现, V ACNTs的长度大约有60 μm, 碳管为多壁, 由大约10~15碳层组成, 最内壳层和最外壳层的直径分别是5 nm和15 nm。这种结构的优势是碳管和集流体直接相连, 无需添加导电剂和粘结剂。这样不仅避免了碳管之间间隙的堵塞, 而且在观测过程中可以减少添加剂对反应产物的干扰。另外, 这种垂直定向的构型有利于电子、离子和氧分子的输运, 提高放电过程中Li2O2的生成量与充电过程中产物的分解速率。

结合防止反应产物暴露空气的一些实验手段, 例如设计如图4所示的XRD测试装置, 使表征结晶态的反应产物成为可能。利用XRD我们清晰地观测到以二甲醚(Dimethoxyethane, DME)为电解液体系的锂氧电池在放电过程中(如图5所示) Li2O2的逐渐增多和充电过程中Li2O2逐渐减少的演变历程(如图6所示)。

图3 垂直定向碳纳米管的SEM图片(a)和的TEM图片(b) [35] Fig. 3 SEM (a) and TEM (b) images for vertically aligned carbon nanotubes (VACNTs) [35]

图4 可防止反应产物暴露空气的XRD测试装置[35]

Fig. 4 XRD facility for detecting crystalline reaction products prevented from exposing to air[35]

图5 DME电解液体系的锂氧气电池的充放电曲线[35]

Fig. 5 Discharge and charge curves for Li/DME/O2 batteries [35]

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图 6 Li/DME/O2电池在不同充放电状态下反应产物的非原位XRD图谱[35]

Fig. 6 Ex situ XRD patterns of reaction products at different discharge and charge stages for Li/DME/O2 batteries[35]在利用XRD分析的同时, 我们采用SEM对不同充放电状态下的Li2O2形貌进行了观测, 结果如图7所示。从中可清楚地看到Li2O2从最初放电开始时的成核(图7(a)), 逐渐长大(图7(b)), 直至放电终态演变为围绕碳管的算盘珠形颗粒(图7(c)); 然后, 在最初充电过程中颗粒表面分解, 表观体积增大(图7(d)), 到最后颗粒完全消失(图7(e))。同时利用TEM观测到了Li2O2的微观晶体结构, 进一步证实了Li2O2是围绕碳管生成长大的(如图8所示)[35]。

图7 Li/DME/O2电池在不同充放电状态下V ACNTs形貌演变的SEM照片[35]

Fig. 7 SEM images of VACNT cathodes for Li/DME/O2 bat-teries with different discharge and charge stages[35]

(a) Discharged to 500 mAh/g; (b) Discharged to 1200 mAh/g; (c) Dis-charged to 3500 mAh/g or 2.0 V; (d) Recharged to 3.5 V; (e) Recharged to 4.3 V; (f) The 8th

discharged to 1100 mAh/g 图8 Li/DME/O2电池放电产物Li2O2的TEM形貌照片[35] Fig. 8 TEM images of Li2O2 formed after discharge of Li/DME/O2 battery[35]

更为有趣的是, 在限制放电容量的测试条件下, 我们观测到算盘珠形Li2O2和锈状非晶Li2CO3共生的情况(图7(f))。而且随着循环次数的增加, Li2O2生成量不断减少, Li2CO3的量不断增加。这一结果被XPS和TEM的测试进一步证实, 详细描述可参考文献[35]。以上数据说明碳酸盐的累积是DME体系电池性能退化的重要原因。

上述采用V ACNTs作为研究Li2O2的方法与美国Shao-Horn等研究的主要结论基本一致[37]。对于Li2O2的形貌和晶态结构的分析, 还有其它报道[38]。但是对于其生长及分解机制的研究尚需深入。

对于DME电解液体系的电池, 和我们利用V ACNTs对四乙二醇二甲醚(tetraethylene glycol dimethyl ether, TEGDME)和离子液体(PP13TFSI)为电解液体系电池产物的研究分析, 类似算盘珠形的晶态Li2O2[36,39]均被观测到(如图9所示)。另外, 通过优化空气电极的多孔结构, 放电终态的Li2O2也可具有类似的形貌[27,40]。

清晰表征电池充放电的产物为深入探究锂氧反应机制奠定了重要的基础, 并提出了很多需要澄清的科学问题: 首先, 电池释放的能量来源于Li2O2的成核和生长。Li2O2的导电性决定着Li2O2颗粒是从碳管处向外不断生长、还是从电解液中析出生长、或者是先成核再从外部生长。Nazar等[41]认为Li2O2颗粒是从电解液中溶解析出的。Shao-Horn等[42]观测到Li2O2颗粒是以薄层状的形式堆积形成的。对于Li2O2材料的导电性, 理论和实验方面都有所讨论[43-45], 但是要真正阐明由锂氧电化学反应所生成的Li2O2的体相及表面导电的问题, 还需要更多更细致的原位原子级分辨的实验和理论分析工作。

其次, Li2O2颗粒是怎样分解的？Nazar等采用涂覆式的空气电极(其中包括粘结剂和催化材料), 报道了Li2O2层塌陷的情况[41]。Shao-Horn等用原位TEM观察到Li2O2和碳管界面处的优先分

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图9 (a)Li/LiClO4:TEGDME/O2电池和(b)Li/LiClO4: PP13T FSI/O2电池第1次放电生成的Li2O2的SEM形貌照片[39] Fig. 9 SEM images of VACNTs cathodes with Li2O2 particles for (a) Li/LiClO4:TEGDME/O2 battery and (b) Li/ LiClO4: PP13TFSI/O2 battery after the 1st discharge[39]

解, 即与碳管接触的Li2O2分解得快, 远离界面的分解得慢, 说明Li2O2的分解是电子受限过程[46]。

另外, Li2O2颗粒的形貌和大小受到电流密度的影响, Nazar等[47]认为小电流密度会形成环形Li2O2颗粒, 大电流密度会形成薄膜形Li2O2颗粒, 不同形貌会对充电阶段的过电势产生影响。

但在以上讨论中, 很少涉及副产物碳酸盐的影响。在目前广泛使用的电解液中, 无论是DME、TEGDME还是相对稳定的离子液体, 都发现碳酸盐的形成。目前认为它的累积是造成电池性能衰减的关键因素。但是碳酸盐的形成原因较为复杂, 它可能来自于电解液的分解、碳电极的氧化、气氛中CO2的作用[35,39,48-49]。怎样清晰地阐明碳酸盐的形成机制及其对Li2O2颗粒分解的影响, 从而找到抑制或消除反应产物在空气正极表面的累积, 将是下一步锂空气电池发展需要解决的关键问题之一, 尤其需要对碳酸盐含量的量化信息。

2 氧正极化学反应机制对电池循环寿命的影响

二次锂空气电池研究的另一个难点是其循环寿命, 如果采用放电到2 V的测试条件, 电池可循环多次的文献报道很少。当然, 电池的性能和多孔空气电极的构型有关, 如孔容、孔径和它的尺寸分布。另外, 锂负极和电解液对循环性能的影响同样不可忽视。有关这方面的讨论, 可参考文献[7-12]。下面, 我们将从电池充放电过程中氧正极反应机制的角度来讨论影响电池循环寿命的关键因素。

2.1放电过程中氧正极钝化对循环寿命的影响

从目前报道的文献来看, 锂空气电池能够循环几十次或上百次都是在限制放电容量的条件下实现的。我们采用V ACNTs作为氧正极, 采用相对稳定的离子液体PP13TFSI作为电解液, 对这一问题进行了探讨。如图10(a)所示, 在2.0~4.0 V充放电的

电压范围, 即不限制放电容量, 可以看到循环过程

中电池的容量不断衰减, 20次循环后容量只有最初

的20% (～600 mAh/g carbon)。如果限制电池的放电容

量在600 mAh/g carbon, 同样充电至4.0 V, 电池则循

环28次保持容量不衰减(如图10(b)所示)。

这一现象的产生应该与放电产物在氧正极表面

的沉积有关。如图11(a)所示, 在不限制容量的情况下, 经历了20次循环后再放电, 电极表面被接近非

晶的碳酸盐全部覆盖, 很难看到算盘珠状的Li2O2

颗粒。而在容量限制在600 mAh/g carbon的条件下, 经

历50次循环后再放电, 除了碳酸盐包覆在碳管表面, 算盘珠状的晶态Li2O2颗粒仍然可以找到, 如图

11(b)所示。这充分表明, 放电深度的增加将加速碳

酸盐在氧正极表面的累积。由于多数情况下碳酸盐

的可逆性较差, 造成氧正极的钝化。而放电深度的

减小可缓解碳酸盐的沉积对碳管的钝化作用, 延长

电池的循环寿命。

图10 (a)充放电电压范围2.0~4.0 V、电流密度0.2 mA/cm2的

测试条件下的充放电循环曲线; (b)放电容量限制在600 mAh/g、

充电截至电压4.0 V、电流密度0.2 mA/cm2的测试条件下的充

放电循环曲线[36]

Fig. 10 Cycle curves measured at (a) the voltage range from 2.0 V to 4.0 V and a current density of 0.2 mA/cm2; and (b) the voltage range from 2.0 V to 4.0 V and a current density of 0.2 mA/cm2 with limited discharge capacity of 600 mAh/g[36]

The electrolyte is PP13TFSI-LiClO4, and the testing temperature is set

at 60℃

图11 (a)Li/LiClO4:TEGDME/O2电池在不限制容量情况下第

21次放电后氧正极表面的SEM照片, (b)Li/ LiClO4: PP13 TFSI/O2电池在限制容量情况下第51次放电后氧正极表面的SEM照片

Fig. 11 SEM images of VACNTs cathodes for (a) Li/LiClO4: TEGDME/O2 battery without capacity limitation after the 21st discharge and (b) Li/ LiClO4:PP13TFSI/O2 battery with capac-

ity limitation after the 51st discharge

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以上结论与Bruce等[50]研究结论一致。他们采用多孔金作为氧正极, 有效地抑制了碳酸盐在其表面的沉积, 从而使电池循环100次后仍然能够保持最初的放电容量。

2.2 充电过程中氧正极表面产物分解对循环寿命的影响

如上所述, 很多文献报道都采用限制放电容量的方法来提高电池的循环性能, 机理在于缓解反应产物对电极表面的钝化。对于去除反应产物在氧正极表面的沉积, 充电应该发挥更重要的作用, 但是相关报道却很少。在工作中, 我们发挥V ACNTs在检测反应产物的优势, 对充电电压对氧正极表面反应产物的分解作用及其对循环寿命的影响进行了深入研究[39]。

在以TEGDME为电解液体系的电池中, 充电截止电压对循环次数的影响非常显著。比较图12(a)、12(b)和12(c), 可以清楚地看到当充电截止电压从4.0 V、4.25 V增加到4.5 V时, 在放电容量保持不衰减的情况下, 电池的循环次数从几次增加到30多次。对产物的分析表明, 4.25 V的充电截止电压不能完全分解Li2O2(如图13(a)所示), 它的累积无疑加剧了对碳管表面的钝化。只有当充电截止电压达到4.5 V, Li2O2颗粒才完全消失(如图13(b)所示),循环性能显著提高。

值得注意的是, 在以离子液体PP13TFSI为电解液体系的电池中, 同样观察到了充电截止电压对循环次数的显著影响。当充电截止电压从4.0 V 增加到4.5 V时, 在放电容量保持不衰减的情况下, 电池的循环次数从8次增加到40次(如图14(a)和14(b)所示)。对充电过程中产物分解的分析表明, 4.0 V可以将放电至2 V所生成的大部分Li2O2分解掉[37]。而且PP13TFSI的稳定性远好于TEGDME, 由前者分解产生的碳酸盐要少得多, 碳酸盐的形成主要来自于碳管在充电过程中的氧化。Bruce等[48]发现3.5 V以上的充电电压就可以在碳管表面形成碳酸锂。所以4.5 V可以使分解碳酸锂的量大于其生成的量, 从而缓解了碳酸锂的累积, 增加循环次数。XPS进一步分析表明, 电池性能退化最终都是由于碳酸盐在碳管表面的累积所导致的[39]。这表明电池性能的大幅提高必须找到消除碳酸盐在电极表面累积的有效方法。

2.3氧正极其他反应对电池循环寿命的影响

本课题组在实验中还发现电流密度、电解液的特性(如锂盐浓度[51]、氧气溶解率等)以及氧气环境的不同都会对氧正极的反应产生影响, 进而影响电池的循环寿命, 这些方面的研究需要今后更多更深入的工作来阐明其中的机理。

3过电势问题

目前针对锂空气电池过电势的机理问题, 探索得还较少。但是, 这一问题对锂空气电池未来的应用发展至关重要, 因为实际应用的二次电池要求能量效率达到90%以上。恒电流充放电模式下的能量效率, 即放电平台电位与充电平台电位的比值, 它显然与充电和放电电位的过电势直接相关。

然而, 大部分文献所报道的锂空气电池的能量效率在60%~70%, 即使电极材料中引入了催化材料。最近, Bruce等通过在多孔金电极中添加氧化还原介质, 大大降低了充电电压, 使电池的能量效率提高到80%, 但仍低于90%的要求[52]。

总结我们以往的数据, 首先不难发现采用不同的电解液会导致不同的过电势。比较图15(a)和15(b)可以看出, TEGDME电解液体系所产生的充放电电

图12 充放电电压范围(a) 2.0~4.0 V, (b) 2.0~4.25 V, (c) 2.0~4.5 V, 电流密度0.4 mA/cm2和放电容量限制在1000 mAh/g的条件下的充放电循环曲线。电池的电解液均为LiClO4:TEGDME, 测试温度为室温[39]

Fig. 12 Cycle curves measured in the voltage range of (a) 2.0–4.0 V, (b) 2.0–4.25 V, (c) 2.0–4.25 V at a current density of 0.4 mA/cm2 and cutoff capacity discharge of 1000 mAh/g for Li/LiClO4:TEGDME/O2 batteries. The measured temperature is room temperature[39]

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图13 Li/LiClO4:TEGDME/O2电池在(a) 4.25 V和(b) 4.5 V充电后氧正极表面的SEM照片[39]

Fig. 13 SEM images of VACNTs cathodes after charged to (a) 4.25 V and (b) 4.5 V for Li/LiClO4:TEGDME/O2 batteries[39]

图14 充放电电压范围(a)2.0~4.0 V和(b)2.0~4.5 V, 电流密度0.2 mA/cm2和放电容量限制在800 mAh/g的条件下的充放电循环曲线。电池的电解液均为LiClO4:PP13TFSI, 测试温度为60℃[39]

Fig. 14 Cycle curves measured at voltage range of (a) 2.0–4.0 V and (b) 2.0–4.5 V at a current density of 0.2 mA/cm2 and cutoff discharge capacity of 800 mAh/g for Li/LiClO4:PP13TFSI/O2 batteries. The measured temperature is 60℃[39]

图15 (a) Li/LiClO4:TEGDME/O2电池的(测试电流密度为0.4 mA/cm2, 测试温度为室温); (b) Li/LiClO4:PP13TFSI/O2电池(测试电流密度为0.2 mA/cm2, 测试温度为60℃)的充放电曲线及其过电势

Fig. 15 Discharge and charge curves for (a) Li/LiClO4: TEGDME/O2 battery measured at 0.4 mA/cm2 and room tem-perature; (b) Li/LiClO4:PP13TFSI/O2 battery measured at 0.2 mA/cm2 and 60℃

压差约为1.7 V。在离子液体PP13TFSI电解液体系中的电压差约为1.2 V。其它有关离子液体的充放电压差甚至更小(～0.75 V)[53-54]。

根据前面的讨论, 已知TEGDME电解液充电过程中易分解形成碳酸盐。离子液体更为稳定, 充电过程中基本不分解。因此, 可以说反应副产物在电极表面的沉积是影响过电势的重要原因之一。但是, 即使是在最为稳定的离子液体电解液体系中或副产物很少的多孔金电极体系中[52], 仍然存在较大的过电势。初步的研究表明, 升高测试温度可以减小过电势, 但是却很难被完全消除。回顾锂离子电池基于转变反应的负极材料, 如MnO体系[55-57], 虽然采用纳米技术制备出的MnO材料可极大地提高电极的倍率性能, 但是材料自身所固有的过电势却很难消除。即使采用升高测试温度的方法, 仍然存在明显的过电势。因此, 对于MnO体系的过电势, 通常认为是由其自身热力学特性引起的。那么, 对于锂空气电池充放电过程中表现出来的电位差, 其根本的热力学与动力学机制是什么, 将是我们下一步的研究重点。

4 催化剂效应

在锂空气电池最初的发展进程中, 寻求促进氧还原和氧析出反应的催化材料一度成为研究热点, 其中包括碳基材料、贵金属、过渡族金属氧化物、氮化物和配合物等多种催化材料[58-74]。人们还尝试把在水系催化中作用明显的材料用在惰性有机电解液体系的锂空气电池中[75]。

虽然很多材料在碳酸酯类电解液锂空电池中表现出减小电势的作用, 但是IBM的McCloskey和Luntz等[76]研究发现: 在碳酸酯类的电解液体系中, Li2O2不是放电反应的主要产物, 大部分情况下催化材料的作用是促进电解液的分解; 在DME电解液体系中, 放电产物主要为Li2O2, 与C相比, Pt、Au、MnO2的纳米颗粒都没有表现出明显的催化行为。他们还通过定量差分电化学质谱仪分析析出氧与电子比率发现: 如果在电解液和正极材料稳定的情况下, Li2O2的分解可能不需要催化剂[77]。

与以上结论不同, Nazar等[41]采用循环伏安法分析了Co3O4的催化效应, 提出电催化和促进质量转移的概念。他们认为Co3O4与C材料相比, 虽然没有体现出传统意义上的电催化作用, 但是却促进了Li2O2的分解过程中的质量转移, 从而减小充电过程中的电压平台。

针对以上分歧, Shao-Horn等[78]通过实验解析出Li2O2分解的两个步骤: 第一阶段, 充电初的过电势小于400 mV, Li从Li2O2中脱出形成Li2-x O2, 然后它们通过歧化反应产生氧气。这一阶段是自发产生的, 充放电速率和催化剂都不会产生作用; 第二阶段, 充电的过电势在400~1200 mV, 主要是体相Li2O2的分解过程。这一阶段会受到充放电速率和催化剂的显著影响。通过这些结果可以很好地理解以上两个工作所产生的分歧。而且, Shao-Horn等认为

120 无机材料学报第29卷

催化剂在高电位的反应过程中的确起作用。

有一点必须指出的是, 在Shao-Horn等的实验中, 为了阐明相关机理, 放电容量控制的非常小, 这造成充电阶段的副反应十分微弱, 即副产物的影响非常小[78]。然而目前绝大多数使用的电解液和碳基电极都存在充电过程中碳酸盐在正极表面沉积的问题, 极大地影响了充放电过电势和电池性能。即使是催化剂可以促进Li2O2的分解, 由于碳酸盐在其表面的沉积钝化, 使催化剂的作用很快减弱甚至消失[41]。

因此, 对于锂空气电池中碳酸盐的问题, 有两个研究方向值得关注: 一是采用非碳氧正极材料, 如多孔金作为正极材料[50], 可有效减少碳酸盐的累积。如果进一步引入针对Li2O2生成与分解反应的催化剂, 则可有效提高电池的倍率性能并减少电池的过电势; 二是探求能够分解碳酸盐催化剂的研究[79], 可以有效去除电池充电过程中副产物碳酸盐在正极表面的累积, 增加电池的可逆性, 减小过电势。而且更大意义可能在于, 近来人们发现采用背景空气为工作气体的锂空气电池能够实现可逆循环[80-81], 而其中所涉及到的关键问题就是碳酸锂的生成和分解。这就是说, 如果能够获得针对碳酸锂的催化剂, 那么二次锂空气电池的关键技术瓶颈之一有望被解决。

5 总结和展望

二次锂空气电池由于是化学储能体系中能量密度最高的体系近年来受到了高度关注, 相关研究发展迅速。在经历了从碳酸酯类到醚类作为电解液的电池体系之后, Li2O2的探测和表征得到长足发展, 在目前较常用的几种电解液体系中(如TEGDME、DMSO、PP13TFSI离子液体等), Li2O2作为放电的主要产物得到了确认, 并对于它的成核、生长与分解机理也有了初步认识。在这些工作基础之上, 通过正极反应控制, 二次锂空气电池的循环次数可以提高到几十甚至上百次。然而, 目前的二次锂空气电池距离可实用的高效长寿命二次电池还有相当大的差距, 进一步发展急需解决的关键科学问题包括:

1) 电池放电的主要产物Li2O2的生长与分解机理。深入理解充放电电压范围、电流密度及氧正极表面的化学反应对Li2O2的形貌、尺寸、覆盖度、致密度的影响, 了解从原子尺度到亚微米尺度的生长规律是提高电池性能的重要问题。

2) 反应副产物碳酸盐的形成机理分析。目前所研究的大部分二次锂空气电池, 都存在副产物碳酸盐的生成及在电极表面累积的问题。因此, 怎样能够表征与过氧化锂共存的碳酸锂的结构、空间分布、生长机制, 特别是能够定量表征碳酸盐的含量, 是阐明其成因并消除其在氧正极表面累积的重要前提。

3) 电池充放电过程中的过电势问题。过电势较大会造成电池的能量转换效率较低, 严重制约其实用化发展。但是导致过电势的根本原因是什么, 除了副产物的作用, 是否还存在反应中热力学的本征制约因素。这一问题的阐明不仅可以获得电池能量效率的量化信息, 而且可以找到提高能量效率的有效手段。

4) 锂空气电池中的催化机制与催化剂选择的问题。电池工作过程中氧还原与氧析出反应是如何发生的, 以及引入的催化剂发挥了何种作用, 是具有传统意义的电催化效应还是仅仅起到了促进质量传输的作用。另外, 对于可催化碳酸盐分解的催化剂对电池性能提高所能够发挥的作用同样令人期待。

以上这些问题的澄清对于锂空气电池性能的大幅提高应该会起到至关重要的作用。相信通过各国科学家持之以恒的努力, 人们对二次锂空气电池中关键科学问题的理解将不断深入, 在技术上使二次锂空气电池走向应用将不断得到推进。最终实现高效高比能且长寿命的二次锂空气电池, 使之真正能够成为电动汽车或移动电子器件的供电电池。

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作者简介:郭向欣, 男, 中国科学院上海硅酸盐研究所研究员, 博士生导师。2000年在中国科学院物理研究所获博士学位。随后, 在德国斯图加特马普固态研究所等欧洲著名单位连续从事科研工作8年。期间的工作主要集中于: (1) 离子导电材料电输运特性的界面调控; (2) 低维材料的外延生长与原位同步辐射监控。2008年受到中科院“百人计划”资助进入上海硅酸盐研究所工作, 2009年获得中国科学院“百人计划”择优支持和上海市“浦江人才计划”的荣誉称号与资助。目前作为负责人承担国家自然科学基金项目多项, 作为“离子导电能量转换材料与薄膜锂电池研究” 课题组组长承担“中国科学院重点部署项目: 锂空气电池关键材料”和“上海硅酸盐研究所-索尼锂电池联合实验室”的国际合作项目。当前主要研究集中于: (1) 高比能二次金属空气电池; (2) 界面离子输运与存储及其在能源材料中的应用。迄今, 已在Adv. Mater., Adv. Energy Mater. Adv.Funct.Mater., Nano. Lett., J. Power Sources, J. Phys. Chem. C, Appl. Phys. Lett., Phys. Rev. B 等重要国际学术期刊发表论文几十篇, 受到国内外科学家的关注。

《锂离子电池应用》word版

国海军对其使用的所有锂电池都要根据NA VSEA指南9310.1b和技术手册S9310-AQ-SAF-010进行安全性评估。描述了对战场准备自主水下航行体(BPAUV)上锂离子电池进行的安全性测试试验;也给出了由海军水面战中心(NSWC)Carderock实验室所做的

LiNi x Co(1-x)O2由LiNiO2材料改性得到，是一种高容量的锂离子正极材料，比容量比LiCoO2高30%左右，具有很好的比功率特性，价格相对低廉。但是由于这种材料的合成相对困难、吸水性较强、与电解液的相容性较差、安全性较差等原因，并未得到广泛的推广。目前世界上应用最好的是SAFT公司，其利用LiNi x Co(1-x)O2正极材料制造的各种型号的锂离子电池已广泛应用于卫星、UUV以及各类便携式电子设备上。 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2是另一种高容量的正极材料，集合LiNiO2、LiCoO2和LiMnO2的优点，可逆比容量可以达到160mAh/g以上，是非常有前途的正极材料。此材料不仅有比容量高的优势，而且安全性也相对较好，价格相对较低，与电解液的相容性好，循环性能优异，是最有可能在小型通讯和小型动力领域同时应用的电池正极材料，甚至有在大型动力领域应用的可能。 LiMn2O4是LiCoO2外研究最早的正极材料，它具有较高的电压平台，较高的安全性和低廉的价格，在大容量动力电池领域有广阔的应用前景；但是其较低的比容量（110mAh/g），较差的循环性能（300次），特别是高温循环性能差使得其应用受到了较大的限制。尽管经过这几年的研究，LiMn2O4的性能得到了较大的提高，但高温循环性能依然是使用的一个瓶颈。目前国内以锰酸锂为正极材料制造锂动力电池最成功的厂家为北京中信国安盟固利公司。其生产的大容量动力型锰酸锂电池经过了两到三年的示范运行，成为配套2008年北京奥运会电动汽车的唯一电池。 LiFePO4是最近两年才快速发展起来的正极材料，其较高的安全性能，良好的耐高温特性，优越的循环性能使得其作为动力电池和备用电源领域有广阔的应用前景。但是其也存在一些缺点，特别是其电压平台较低（3.2V），振实密度低，使其制成的电池比能量较低，而且由于磷酸铁锂制备工艺要求控制严格，批次生产质量一致性差，导致其成本居高不下。同时磷酸铁锂材料的电导率低，低温放电性能差，倍率放电差等问题也需要继续研究和改进。但是近年来在世界范围内的广泛研究已经使这些问题得到了改善，特别是低温放电性能及功率特性。日本三井造船生产的磷酸铁锂动力锂电池能够以20C的

锂离子电池基础知识100答

1、一次电池和充电电池有什么区别？电池内部的电化学性决定了该类型的电池是否可充，根据它们的电化学成分和电极的结构可知，真正的可充电电池的内部结构之间所发生反应是可逆的。理论上，这种可逆性是不会受循环次数的影响，既然充放电会在电极体积和结构上引起可逆的变化，那么可充电电池的内部设计必须支持这种变化，既然，一次电池仅做一放电，它内结构简单得多且不需要支持这种变化，因此，不可以将一次电池拿来充电，这种做法很危险也很不经济，如果需要反复使用，应有尽有选择真正的循环次数在1000次左右的充电电池，这种电池也可称为一次电池或蓄电池。 2、一次电池和二次电池还有其他的区别吗？另一明显的区别就是它们能量和负载能力，以及自放电率，二次电池能量远比一次电池高，然而他们的负载能力相对要小。 3、可充电便携式电池的优缺点是什么？充电电池寿命较长，可循环1000次以上，虽然价格比干电池贵，但如果经常使用的话，是比较划算的。充电电池的容量比同规格的碱锰电池或锌碳电池低，比如，他们放电较快。另一缺点是由于他们几近恒定的放电电压，很难预测放电何时结束。当放电结束时，电池电压会突然降低。假如在照相机上使用，突然电池放完了电，就不得不终止。但另一方面可充电电池能提供的容量比太部分一次电池高。但Li-ion电池却可被广泛地用照相器材中，因为它容量高，能量密度大，以及随放电深度的增加而逐渐降低的放电电压。 4、充电电池是怎样实现它的能量转换？每种电池都具有电化学转换的能力，即将储存的化学能直接转换成电能，就二次电子（也叫蓄电池）而言（另一术语也称可充电使携式电池），在放电过程中，是将化学能转换成电能；而在充电过程中，又将电能重新转换成化学能。这样的过程根据电化学系统不同，一般可充放电500次以上，而我司产品li-ion可重复充放电1000次以上。Li-ion是一种新型的可充电便携式电池。它的额定电压为3.6V，它的放电电压会随放电的深度逐渐衰退，不象其他充电电池一样，在放电未，电压突然降低。 5、什么是Li-ion电池？ Li-ion是锂电池发展而来。所以在介绍Li-ion之前，先介绍锂电池。举例来讲，以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。锂电池的正极材料是锂金属，负极是碳。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。Li-ion就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以Li-ion又叫摇椅式电池。 6、Li-ion电池有哪几部分组成？（1）电池上下盖（2）正极——活性物质为氧化锂钴（3）隔膜——一种特殊的复合膜

锂电池行业发展现状及未来发展前景预测

锂电池行业发展现状及未来发展前景预测 Revised by Chen Zhen in 2021

2017年中国锂离子电池行业发展现状分析及未来发展前景预测核心提示：全球锂离子电池行业呈现三国鼎立的竞争格局。由于整个二次电池的产业链几乎已经转移至亚洲，在中国、日本、韩国相继扩大生产的背景下，2016年中国、韩国、日本三国占据了全球锂电池电芯产值总量的98.11%。三国的竞争策略各不相同。日本竞争全球锂离子电池行业呈现三国鼎立的竞争格局。由于整个二次电池的产业链几乎已经转移至亚洲，在中国、日本、韩国相继扩大生产的背景下，2016年中国、韩国、日本三国占据了全球锂电池电芯产值总量的98.11%。三国的竞争策略各不相同。日本竞争策略上关注技术领先。韩国更偏重于消费型锂离子电池的发展。中国锂离子电池市场规模在全球市场的份额呈现逐年上升的态势。 2010-2020年中国及全球锂电产值数据来源：公开资料整理国内锂离子电池市场的发展处于行业的高速增长期。2010年至2016年我国锂离子电池下游应用占比呈现消费型电池占比逐年下降、动力类占比逐年提升的格局。2016年受消费电子产品增速趋缓以及电动汽车迅猛发展影响，我国锂离子电池行业发展呈现出“一快一慢”新常态。2016年，我国电动汽车产量达到51.7万辆，带动我国动力电池产量达到33.0GWh，同比增长65.83%。随着储能电站建设步伐加快，锂离子电池在移动通信基站储能电池领域逐步推广，2016年储能型锂离子电池的应用占比达到4.94%。 2010-2016年我国锂离子电池下游应用占比数据来源：公开资料整理业务发展方向契合政策，发展前景良好。我国锂离子电池材料及设备行业平均利润水平总体上呈现平稳波动态势，在不同应用领域及细分市场行业利润水平存在差异。一般而言，在低端负极产品和涂布机领域，门槛低，竞争充分，利润水平相对较低。而中高端负极材料、涂布机以及新兴的涂覆隔膜、铝塑包装膜，产品技术含量高，在研发、工艺改善、客户积累、资金投入等方面进入壁垒较高，附加价值较高，优质企业能够在该领域获得较好的利润率水平。全球负极材料产业集中度极高，江西紫宸全球份额持续提升。目前锂离子电池负极材料生产企业主要在中国和日本，两国总量占全球负极材料产销量

幼儿园大班科学教案：神奇的电池

幼儿园大班科学教案：神奇的电池幼儿园大班科学教案：神奇的电池活动目标：1、通过观察、操作、谈话等方式了解有关电池的一些小知识，认识电池的特征，了解正确安装电池的基本常识。2、发展动手、发现能力，并记录自己的探究过程人们生活带来的益处和危害，增强环保意识。活动准备：1、不同型号的电池若干。2、钟表、手电、电动玩具、录音机、手机等。3、记录单、笔若干。活动过程：一、通过观察、讨论认识电池1、利用玩具吸引幼儿，并且拨动开关，提出问题：玩具为什么不动？2、证实幼儿的猜测，引出活动的主题--电池。3、幼儿观察电池。师：电池是怎样的呢？旁边桌上有很多电池，请小朋友去玩一玩，看看电池上有什么小秘密？（自由观察、操作）4、电池上有什么标记符号？知道电池上有“＋”正极、“－”负极。电池的两端一样吗？知道鼓出来的一端是正极，平的一端是负极。电池都是一样大小的吗？知道电池的大小不同，型号也不同。常用电池有1号、2号、5号、7号电池等。5、教师小结电池的特征：知道电池上有“＋”正极、“－”负极。知道鼓出来的一端是

正极，平的一端是负极。电池的大小不同，型号也不同。常用电池有1号、2号、5号、7号电池等。二、操作实践，掌握电池的安装方法。1、你们知道电池有什么用吗？（幼儿自由说）选择自己喜欢的物品去操作。介绍记录单，鼓励幼儿把操作结果记录下来。（试过了你就在操作纸上记录，如果成功地让钟表走起来了或让手电筒亮起来、玩具动起来了，就在操作纸上的相对应的物体下打√，如果失败了就打X（幼儿操作，教师观察指导幼儿活动情况）3、引导、归纳安装电池的方法。（1）请小朋友讲述操作过程及结果：你是怎样安装电池的？成功了没有？找一找看安装电池有没有小窍门，好办法。（2）小钟表、手电筒、电动玩具等在安装电池的地方有什么标记？有没有和电池一样的标记？引导幼儿归纳安装电池槽中的弹簧和电池安装时的关系。知道把电池平的一端（负极）放在弹簧上，鼓的一端（正极）放在没有弹簧的一端。引导幼儿归纳双向电池排列方法。知道虽然是两排，但仍然是电池平的一端（负极）放在弹簧上，鼓的一端（正极）放在没有弹簧的一端。归纳单向两节电池的安装方向。知道电池是正级负级、正级负级相连。引导幼儿发现说出：电池上正负极的标记，和电池槽中正负极标记的关系和作用。知道这些标记是告诉人们安装电池的方法。4、幼儿再次操作三、看课件，了解电池给人们生活带来的益处和危害，增强幼儿的环保意识。 1、电池的用处大不大？你还知道什么东西也要用到电池的？ 2、看课件，教育

手机锂离子电池与电芯的基本知识

第一节锂离子电池的基本知识一般而言,锂离子电池有三部分构成: 1.锂离子电芯 2.保护电路(PCM) 3.外壳即胶壳电池的分类从锂离子电池与手机配合情况来看,一般分为外置电池和内置电池,这种叫法很容易理解,外置电池就是直接装在手上背面,如: MOTOROLA 191,SAMSUNG 系列等;而内置电池就是装入手机后,还另有一个外壳把其扣在手机电池内, 如:MOTOROLA 998,8088,NOKIA的大部分机型 1.外置电池外置电池的封装形式有超声波焊接和卡扣两种:

1.1超声波焊接外壳这种封装形式的电池外壳均有底面壳之分,材料一般为ABS+PC料,面壳一般喷油处理,代表型号有 :MOTOROLA 191,SAMSUNG 系列,原装电池的外壳经喷油处理后长期使用一般不会磨花,而一些品牌电池或水货电池用上几天外壳喷油就开始脱落了.其原因为:手机电池的外壳较便宜,而喷油处理的成本一般为外壳的几倍(好一点的),这样处理一般有三道工序:喷光油(打底),喷油(形成颜色),再喷亮油(顺序应该是这样的,如果我没记错的话),而一些厂商为了降低成本就省去了第一和第三道工序,这样成本就很低了. 超声波焊塑机其作用为: 行业内比较好的国产超声波焊塑机应该是深圳科威信机电公司生产的. 焊接有了好的超声波焊塑机不够的,是否能够焊接OK,还与外壳的材料和焊塑机参数设置有很大关系,外壳方面主要与生产厂家的水口料掺杂情况有关,而参数设置则需自己摸索,由于涉及到公司一些技术资料,在这里不便多讲. 1.2卡扣式卡扣式电池的原理为底面壳设计时形成卡扣式,其一般为一次性,如果卡好后用户强行折开的话,就无法复原,不过这对于生产厂家来讲不是很大的难度(卡好后再折开),其代表型号有:爱立信788,MOTOROLA V66. 2.内置电池

有趣的电池(大班科学活动)

有趣的电池(大班科学活动) 活动目标： 1、使幼儿了解电池的外形、种类、及简单的功能。 2、在尝试性操作活动中，鼓励幼儿探索正确使用电池的方法。 3、培养幼儿尝试性精神及探索科学的兴趣。活动准备： 1、灯泡、铜丝、电池 2、课件：各种各样的电池 3、电池以及各种电动玩具活动过程：一、导入部分 1、出示灯泡，引出主题。 ——你知道这是什么吗？ 2、教师接上电池，让灯泡亮起来，告诉幼儿原来电池里藏着电，可以让灯泡亮起来。提问： ——你知道电池还有什么用处吗？ ——总结：电动玩具、遥控器、闹钟里都需要电池。

二、基本部分 1、幼儿自己尝试装电池 ——老师给每个小朋友都准备了一种玩具，请你想办法把电池装进去，试试能不能玩。 ——为什么有的小朋友能玩，有的小朋友不能玩呢？ ——告诉幼儿电池装错了就不能玩。 2、认识电池、电池盒（1）幼儿自主观察电池 ——原来，在电池上还藏着一些小秘密。请你分别看看电池的两头有什么特别的地方？ ——总结：电池的一头是平的、一头是凸的。电池的表面还有“+”、“-”的符号，它们叫做“正极”和“负极”。（2）认识电池盒 ——电池盒里同样也有这样的秘密，你发现了吗？ ——电池盒的一头有弹簧，一头是平平的。 3、介绍装电池的方法 ——认识了电池和电池盒之后，我们要送电池回家了。 ——先找到电池的负极，和电池盒里凸出的弹簧做好朋友，再一

起装进去。 ——请个别幼儿到前面来试一试。 4、幼儿再次尝试安装电池。（1）提醒幼儿看清标记后再正确安装电池。（2）成功的幼儿自主玩玩具。（3）观察有没有装错电池的幼儿，集体帮助他正确地安装。 5、认识各种不同电池的外形与用途（1）出示课件，认识方方的蓄电池、小小的纽扣电池、大大的手机电板、充电电池等等以及它们的作用。（2）想一想：电池可以用很长时间吗？不用的时候该怎么办？（应将电池取出，以免腐蚀器具）三、结束部分 1、教师提问：“今天我们认识了各种各样的电池，还学会了怎样正确地装电池，最后老师还有一个问题，如果你的玩具里的电池用光了，你会怎么做？” 2、介绍环保小知识（1）玩具里的电池可以放到遥控器里，因为遥控器需要的电量很小。

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）05-503-11 Fundamental scientific aspects of lithium batteries (V)——Interfaces ZHENG 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 batteries 1 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。电动汽车、大型储能设备等的发展迫切需要更高功率密度、更高能量密度、更长循环寿命、更好安全性的锂离子电池 [1-3] 。目前的研究主要集中于开发新型高容量正负极电极材料，新型电解液体系等。在锂离子电池的研究和开发中已经认识到，界面特性对锂离子电池的各方面性能收稿日期：2013-08-05。基金项目：中国科学院知识创新工程方向性项目（KJCX2-YW-W26）和国家重点基础研究发展计划（973）项目（2012CB932900）。第一作者：郑杰允（1988—），男，博士研究生，研究方向为锂离子电池界面问题，E-mail ：jyzheng@https://www.wendangku.net/doc/e95306602.html, ；通讯联系人：李泓，研究员，研究方向为固体离子学和锂电池材料，E-mail ：hli@https://www.wendangku.net/doc/e95306602.html, 。均会产生重要的影响。电池中常见的界面类型有固-固界面，包括电极材料在脱嵌锂过程中产生的两相界面（LiFePO 4/ FePO 4，Li 4Ti 5O 12/ Li 7Ti 5O 12），多晶结构的电极材料中晶粒与晶粒之间形成的晶界，电极材料、导电添加剂、黏结剂、集流体之间形成的多个固-固界面等。固-固界面一般存在空间电荷层以及缺陷结构，其物理化学特性会影响离子与电子的输运、电极结构的稳定性、电荷转移的速率。如果电极材料中存在大量的晶界，晶界处也可储存少量的额外锂[3] 。锂离子电池中更为重要的界面是固-液界面。现有的锂离子电池多采用非水液态有机溶剂电解质。当充放电电位范围较宽时，在正负极表面会形成一

幼儿园大班科学教案神奇的电池

大班科学教案：神奇的电池活动目标： 1、通过观察、操作、谈话等方式了解有关电池的一些小知识，认识电池的特征，了解正确安装电池的基本常识。 2、发展动手、发现能力，并记录自己的探究过程人们生活带来的益处和危害，增强环保意识。活动准备： 1、不同型号的电池若干。 2、钟表、手电、电动玩具、录音机、手机等。 3、记录单、笔若干。活动过程：一、通过观察、讨论认识电池 1、利用玩具吸引幼儿，并且拨动开关，提出问题：玩具为什么不动？ 2、证实幼儿的猜测，引出活动的主题--电池。 3、幼儿观察电池。师：电池是怎样的呢？旁边桌上有很多电池，请小朋友去玩一玩，看看电池上有什么小秘密？（自由观察、操作） 4、电池上有什么标记符号？知道电池上有“＋”正极、“－”负极。电池的两端一样吗？知道鼓出来的一端是正极，平的一端是负极。电池都是一样大小的吗？知道电池的大小不同，型号也不同。常用电

池有1号、2号、5号、7号电池等。 5、教师小结电池的特征：知道电池上有“＋”正极、“－”负极。知道鼓出来的一端是正极，平的一端是负极。电池的大小不同，型号也不同。常用电池有1号、2号、5号、7号电池等。二、操作实践，掌握电池的安装方法。 1、你们知道电池有什么用吗？（幼儿自由说）选择自己喜欢的物品去操作。介绍记录单，鼓励幼儿把操作结果记录下来。（试过了你就在操作纸上记录，如果成功地让钟表走起来了或让手电筒亮起来、玩具动起来了，就在操作纸上的相对应的物体下打√，如果失败了就打X（幼儿操作，教师观察指导幼儿活动情况） 3、引导、归纳安装电池的方法。（1）请小朋友讲述操作过程及结果：你是怎样安装电池的？成功了没有？找一找看安装电池有没有小窍门，好办法。（2）小钟表、手电筒、电动玩具等在安装电池的地方有什么标记？有没有和电池一样的标记？引导幼儿归纳安装电池槽中的弹簧和电池安装时的关系。知道把电池平的一端（负极）放在弹簧上，鼓的一端（正极）放在没有弹簧的一端。引导幼儿归纳双向电池排列方法。知道虽然是两排，但仍然是电池平的一端（负极）放在弹簧上，鼓的一端（正极）放在没有弹簧的一端。归纳单向两节电池的安装方向。知道电池是正级负级、正级负级相连。

锂离子电池技术发展现状与趋势

一、文献综述 1、前言现阶段，日本、韩国、美国等国家引领锂离子动力电池技术的发展。日本的行业技术水平具有领先优势，韩国的动力电池制造能力处于领先地位，美国则具有引领前沿的科研能力。 2、国外发展现状 2·1日本 2·11 2009年，日本政府推出了RISING计划(创新型蓄电池尖端科学基础研究事业)和U～EAD项目(汽车用下一代高性能电池系统)，并于2013年更新了动力电池技术发展路线图(RM2013)，具体指标有2020年电池的续航里程实现250～350km·电池系统总电量达到25～35kW·h，电池能量密度实现250Wh· kg-1，功率密变达到1500W·kg-1，循环寿命达到1000-1500次，价格成本降低到2万日元/W·h。RM2013指明了电极材料的发展方向，正极材料要发展xLiMn03·(1～x)LiMO2(M=Ni，Co，Mn，0≤x≤1)、LizMSi0s、LiNiosMn1s04、LiCnP04、Li2MSO·F、LiMO2(M=Ni，Co，Mn)；负极材料要发展Sn～CoC合金，Si基负极包括Si/C和Si0，以及Si基合金。 2·12日本具有代表性的锂离子动力电池企业为松下电池公司。松下是动力电池行业的领导者，作为Tesla最主要的动力电池供应商，凭借Tesla的发展稳居市场领导者地位，全球市场份额在20%左右。目前松下电池主要给ModelS和MndelX提供18650圆柱电池，正极采用镍钴铝三元材料(NCA)，负极使用硅碳复合材料，单体能量密度可达252Wh·kg-1，而即将使用在Mode13上的21700圆柱形电池单体能量密度更是提高到300Wh·kg-1·是目前行业内能量密度最高的电池。 2·2韩国 2·21 2011年，韩国启动了包含锂离子电池关键材料、应用技术研究、评价及测试基础设施以及下一代电池研究的二次电池技术研发项目。LG化学和三星SDI是具有代表性的韩国锂离子动力电池企业，也是动力电池领域的后起之秀，两者凭借先

幼儿园大班科学认识电池教案

幼儿园大班科学认识电池教案 1 活动目标： 1、通过观察、操作、实验、谈话让幼儿了解有关电池的一些小知识，认识电池的特征、正负极及作用，了解正确使用电池、检验电池的方法。 2、培养幼儿的动手能力和对科学探索活动的兴趣。 2 活动准备：

1、电动玩具若干，创设情境"电池专卖柜"。 2、实验操作材料人手一份：电池一节(新、旧)，灯珠一个，电线一根。 3、电池模型图，说明图(安装图)各一张。 3 活动过程：一、通过观察、讨论认识电池

1、利用玩具吸引幼儿，并且拨动开关，提出问题：玩具为什么不动? 2、证实幼儿的猜测，引出活动的主题--电池。 3、幼儿观察电池。 4、结合图片巩固幼儿的发现，小结电池的基本特征，并认识正负极。二、掌握电池的使用方法 1、装入电池，玩具不动，找原因。(幼儿讨论后回答) 2、罗列幼儿的三种可能性，并一一加以验证。

①电池装反了。措施：结合说明图，让幼儿学习正确的安装方法，巩固正、负极知识，并请幼儿试装。 ②玩具坏了。措施：用快用完的旧电池证明。 ③电池没电了。措施：用新电池。三、通过实验，检验电池 1、提出问题：怎样才能知道电池里有没有电? 2、幼儿探索性实验，教师指导。

3、请幼儿介绍自己的方法：利用小电珠发光来检验电池有没有电。 4、幼儿验证实验。 5、小结。四、了解电池的作用和种类 1、利用电池专卖柜介绍普通的电池和几种特别的电池。 2、了解作用，让幼儿谈谈何处也要用电池，用到什么样的电池，并且从专卖店中找出它。

五、游戏：配电池研究玩具需要几节什么样的电池，并从专卖店中配好、装好后，自由地使用电动玩具游戏。

2017年中国锂电池行业发展现状及未来发展前景预测

大班科学观察类教案

大班科学观察类教案【篇一：幼儿园大班科学活动教案(精选汇编)】幼儿园大班科学活动教案（精选汇编）设计思路：大班上学期的幼儿已具备了某些物体（如石头、雪花片等）在水中沉浮的经验，所以如果活动设计仅仅停留在让幼儿了解，观察各种物体在水中的沉浮现象，幼儿的探索兴趣不易深入。而让幼儿带着任务探索，如怎样使浮的东西沉下去，使沉的东西浮上来，可以提高幼儿探索的积极性，也有利于幼儿思维能力的发展。大班幼儿思维的直觉行动性逐渐减少，思维的具体形象性发展得比较好，所以活动设计既要为幼儿提供边操作边思考的机会，又要注重培养思考的有意性，培养幼儿先预测（思考）再操作。操作后让幼儿多讲述、讨论，促进形象思维的发展。活动目标： 1、知识：（1）感知物体在水中的沉浮现象。（2）学会用简单的图标（↑↓）来记录结果，表示物体的上浮和下沉。 2、技能：（1）能按照老师的要求有序的完成实验。（2）能与同伴沟通、交流与合作来探索调节物体沉浮的方法。 3、情感：

（1）乐意参加探索沉与浮的小实验。（2）初步形成对科学活动的兴趣。活动重点：幼儿园大班科学活动：沉与浮（1）感知物体在水中的沉浮现象。（2）学会用简单的图标（↑↓）来记录结果，表示物体的上浮和下沉。活动难点：探索调节物体沉浮的方法。活动准备： 1、每组一个脸盆，盆里有半盆水，擦手毛巾人手一条。 2、每组装满水和空矿泉水瓶各一个、橡皮泥、石头、雪花片、树叶等小物品。 3、每人一张记录纸，一只笔。活动过程：一、认识实验材料师：今天我们班来了许多物品宝宝，它们就躲在你们的椅子下，找出来看看是谁呀？幼：是钥匙、小木块、玻璃球？二、实验:沉与浮 1、教师示范：教师取一块雪花片请幼儿来猜猜:这块积木放在水里会怎么样?把猜测的结果记录在记录表上，请幼儿把准备的材料进行猜测，把猜测的结果记录在记录纸上。教师指导：你们猜雪花片放在水里会怎样？你们每人有一张记录表，把猜测的结果记录在表上。如果猜雪花片是浮上来的，那就在？这一列中做一个↑，（一个条竖线，上面加一个小帽子）如果你认为是沉下去，那就做一个↓（一个条竖线，下面加一个小帽子）。

锂离子电池综述

锂离子电池电解质添加剂（综述）作者信息摘要这篇文章综述了应用在锂离子电池上面的电解质添加剂。根据添加剂的功能，他们可以分为六类：（1）固体电解质界面膜形成剂、（2）阴极保护剂、（3）六氟磷酸锂（LiPF6）盐稳定剂、（4）安全保护剂、（5）锂沉积剂、（6）其他（溶解增强剂、铝腐蚀抑制剂和润湿剂）。下面将说明和讨论每种分类添加剂的功能和机理。关键词：电解质、添加剂、固体电解质表面膜、负荷过载、锂离子电池目录 1. 引言 2.SEI 形成剂 2.1 SEI 形成介绍 2.2还原型添加剂 2.3反应型添加剂 2.4 SEI形貌修饰剂 3.阴极保护剂 4.LiPF6盐稳定剂 5.安全保护剂 5.1 过载保护剂 5.2阻燃添加剂 6.Li沉淀剂 7.其他 7.1 离子救助剂 7.2 Al防蚀剂 7.3 湿润剂和粘性稀释剂 8.总结参考文献 1、引言电解质添加剂的使用是提升锂离子电池性能最经济有效的方式之一。通常，无论从质量或是体积上来说，电解质中添加剂的量不超过5%，然而它的存在显著的提升了锂离子电池的循环能力和循环寿命。为了得到更好的电池性能，添加剂能够：1，促进固体电解质界面膜（SEI）在石墨表面的形成；2，在SEI膜的形成与长期循环过程中减少不可逆容量和气体的产生；3，增强LiPF6在有机电解质溶剂中的热稳定性；4，保护阴极材料不被溶解和过载；5，提升电解质的离子导电性、粘度、对聚烯烃分离器的湿润性等物理性质。为了电池的安全性，添加剂能够：1，降低有机电解质的可燃性；2，提供过载保护或提升过载限度；3，在非正常情况下终止电池的运作。本文总结了这些添加剂并讨论了他们在提升锂离子电池性能方面上的功能。

手机锂离子电池与电芯的基本知识

第一节锂离子电池的基本知识 1.锂离子电芯一般而言,锂离子电池有三部分构成:? 2．保护电路(PCM) ３.外壳即胶壳电池的分类从锂离子电池与手机配合情况来看,一般分为外置电池和内置电池,这种叫法很容易理解,外置电池就是直接装在手上背面,如：MOTORＯLA 1９１,SＡMSUNＧ系列等;而内置电池就是装入手机后,还另有一个外壳把其扣在手机电池内,如:MOＴOROＬA 99８，80８8,NOKＩA的大部分机型?1．外置电池 1.1超声波焊接外置电池的封装形式有超声波焊接和卡扣两种:? 外壳?这种封装形式的电池外壳均有底面壳之分,材料一般为ＡBS＋PC 料，面壳一般喷油处理,代表型号有 :MOTOROLA 191,ＳAMSUNG 系列,原装电池的外壳经喷油处理后长期使用一般不会磨花,而一些品牌电池或水货电池用上

几天外壳喷油就开始脱落了.其原因为:手机电池的外壳较便宜，而喷油处理的成本一般为外壳的几倍(好一点的）,这样处理一般有三道工序:喷光油(打底),喷油(形成颜色),再喷亮油（顺序应该是这样的,如果我没记错的话),而一些厂商为了降低成本就省去了第一和第三道工序,这样成本就很低了.?超声波焊塑机其作用为: 行业内比较好的国产超声波焊塑机应该是深圳科威信机电公司生产的．焊接有了好的超声波焊塑机不够的,是否能够焊接OK,还与外壳的材料和焊塑机参数设置有很大关系,外壳方面主要与生产厂家的水口料掺杂情况有关，而参数设置则需自己摸索,由于涉及到公司一些技术资料,在这里不便多讲. １.2卡扣式卡扣式电池的原理为底面壳设计时形成卡扣式，其一般为一次性,如果卡好后用户强行折开的话,就无法复原，不过这对于生产厂家来讲不是很大的难度（卡好后再折开),其代表型号有:爱立信７88,ＭOTORＯLA V６6．２.内置电池?内置电池的封形式也有两种,超声波焊接和包标(使用商标将电池全部包起)?超声波焊接的电池主要有:NOKIＡ 8２10,8250,83１0，72１０等. 包标的电池就很多了,如前两年很浒的MOTO9９8 ,80８８了. 第二节锂离子电芯的基本知识锂离子电芯是一种新型的电池能源，它不含金属锂，在充放电过程中,只有锂离子在正负极间往来运动，电极和电解质不参与反应。锂离子电芯的能量容量密

锂空气电池研究进展

Advanced Materials Industry 62余爱水博士、复旦大学化学系教授。研究方向为电极过程和新能源，包括锂空气电池研究、锂离子电池电极材料、全固态薄膜电池、直接甲醇甲酸燃料电池催化剂研究以及介孔材料在电化学能源中的应用。主持、参与的项目包括国家自然科学基金项目（“介孔材料作为锂离子电池电极材料的基础与应用研究”，“二次锂/空气电池基础及应用研究”及“多孔与核壳结构锡基负极材料的化学沉积制备及储锂行为研究”）、国家科技部“863”重点项目（“纳米介孔材料的研制及其在化学能源中的应用”）、“973”项目（“新型二次电池及相关能源材料的基础研究”）、上海市浦江人才计划（“超高比能锂空气电池的基础及应用研究”）和教育部留学回国人员启动基金项目（“介孔材料作为锂离子电池电极材料基础研究”）等。先后在国内外学术性刊物发表有关化学电源电极材料SCI收录学术论文40余篇，授权发明专利10余项。锂空气电池研究进展随着全球经济的不断发展，环境污染和资源问题对能源发展提出了新的要求，研究与开发高能量密度的电源体系势在必行。以空气作为正极活性物质和以金属作为负极活性物质的金属空气电池，可以直接利用空气中的氧气，表现出高比能量的特点，其理论比能量均在1000W h /k g 以上。其中，锂空气电池具有较高的放电平台和较低的分子质量，表现出显著的优势。现有锂空气电池按其电解液体系主要分为3类：水系体系，有机-水混合体系和有机体系。1996年,K.M.Abraham等人[1]在J .Electr- o c h e m .S o c .上首次报道了非水聚合物作为电解液的锂空气电池，该电池开路电压接近3V，工作电压介于2.0 ■ 文/林秀婧刘佳丽黄桃余爱水上海复旦大学化学系～2.8V之间，无催化剂时，电池平台为2.4～2.5V，容量达1400m A h /g，当引入酞菁钴作为催化剂时，电池表现出良好的库仑效率（可以循环3圈）。有别于以常规水系电解液为介质的铝、锌空气电池，锂空气电池使用有机系列电解液或全固态电解质，其工作原理可参考以下电化学反应方程式： 4Li+O 2→2Li 2O （E θ=2.9V）2Li+O 2→Li 2O 2 （E θ=3.1V）如图1，放电过程中，氧气在空气电极表面还原成O 2-和O 22-，与电解液中的L i +结合生产过氧化锂（L i 2O 2）或氧化锂（L i 2O）。由于锂氧化物不溶于有机电解液，在阳极过量的情况下，放电终止。目前，对有机体系锂空气电池的研究主要包括充放电机理、催化剂选择、多孔碳空气电极和电解液。一、充放电机理研究继提出有机体系锂空气电池后，K.M.Abraham [2-3]采用循环伏安法和旋转圆盘电极法研究了锂空气电池充放电过程的电化学反应，见如下反应式。阴极：O 2+Li ++e -=LiO 22LiO 2=Li 2O 2+O 2LiO 2+Li ++e -=Li 2O 2Li 2O 2+2Li ++2e -=2Li 2O 阳极：LiO 2=O 2+Li ++e -Li 2O 2=O 2+2Li ++2e -Li 2O=1/2O 2+2Li ++2e -

幼儿园大班《认识电池》科学教案

幼儿园大班《认识电池》科学教案幼儿园大班《认识电池》科学教案 1、通过观察、操作、实验、谈话让幼儿了解有关电池的一些小知识，认识电池的特征、正负极及作用，了解正确使用电池、检验电池的方法。 2、培养幼儿的动手能力和对科学探索活动的兴趣。 1、电动玩具若干，创设情境"电池专卖柜"。 2、实验操作材料人手一份：电池一节（新、旧），灯珠一个，电线一根。 3、电池模型图，说明图（安装图）各一张。一、通过观察、讨论认识电池 1、利用玩具吸引幼儿，并且拨动开关，提出问题：玩具为什么不动？ 2、证实幼儿的猜测，引出活动的主题--电池。

3、幼儿观察电池。 4、结合图片巩固幼儿的发现，小结电池的基本特征，并认识正负极。二、掌握电池的使用方法 1、装入电池，玩具不动，找原因。（幼儿讨论后回答） 2、罗列幼儿的三种可能性，并一一加以验证。 ①电池装反了。措施：结合说明图，让幼儿学习正确的安装方法，巩固正、负极知识，并请幼儿试装。 ②玩具坏了。措施：用快用完的旧电池证明。 ③电池没电了。措施：用新电池。三、通过实验，检验电池 1、提出问题： ___知道电池里有没有电？

2、幼儿探索性实验，教师指导。 3、请幼儿介绍自己的`方法：利用小电珠发光来检验电池有没有电。 4、幼儿验证实验。 5、小结。四、了解电池的作用和种类 1、利用电池专卖柜介绍普通的电池和几种特别的电池。 2、了解作用，让幼儿谈谈何处也要用电池，用到什么样的电池，并且从专卖店中找出它。五、游戏：配电池研究玩具需要几节什么样的电池，并从专卖店中配好、装好后，自由地使用电动玩具游戏。【幼儿园大班《认识电池》科学教案】相关文章：

锂空气电池的前景与挑战

锂空气电池的前景与挑战 G. Girishkumar,* B. McCloskey, A. C. Luntz, S. Swanson, and W. Wilcke IBM的研究- Almaden, 650 Harry Road, San Jos_e, California 95120 摘要锂空气系统在2009年吸引了全世界的关注作为一个可能的电动车电池推进应用程序。如果成功开发了,这种电池可以为电动汽车提供一种能源车,与汽油相匹敌可用的能量密度。然而,有大量的技术和工艺必须克服的挑战,如果这个诱人的想象变为现实。这个基本电池化学反应时被认为是电化学中锂金属在阳极氧化和来自空气的氧在阴极还原。质子电解质,用于锂离子电池,有一些根据通过处理可以反应用一个外部的电势,即这种电池可以充电。本文总结了作者的观点中的前景和发展面临的挑战的实际锂空气电池和当前的理解它的化学。然而,这要感谢透视图描绘的简单印象，我们才能非常迅速展开想象。人类的总功耗目前是14太瓦和预计2050年大约是现在的三倍.目前,石油占世界总数的主要能源源的34%。它占二氧化碳排放总量的40%,是一个地域政治不稳定的主要原因。由于大多数的石油应用于汽车和轻型卡车,这已经开始了一个混合电气化时代和加快了纯动力汽车发展的成熟。要获得完整的电气化道路交通的主要技术障碍是普通电池的容量不足,这严重限制了电动汽车的的实用性。锂空气电池在汽车上应用最初在1970年代提出。在去年,锂空气的开发得到关注, 仅2010年第一季度就超过14篇关于这方面研究的文章发表。锂空气电池的潜在的比所有其他的化学电池高能量储存密度,这已经导致了强烈的关注，这种电池驱动电动汽车驾驶的路程是否比得上汽油动力汽车驾驶里程。电池500项目由IBM公司和它的合作伙伴,以及许多其他的研究团体发起的研究项目评估锂空气电池推动力在自动化汽车应用上的潜力。“500”代表一个目标距离的500英里/ 800

锂离子电池基础知识

电池基础知识培训资料一、锂离子电池工作原理与性能简介： 1、电池的定义：电池是一种能量转化与储存的装置，它通过反应将化学能或物理能转化为电能，电池即是一种化学电源，它由两种不同成分的电化学活性电极分别组成正负极，两电极浸泡在能提供媒体传导作用的电解质中，当连接在某一外部载体上时，通过转换其内部的化学能来提供能源。 2、锂离子电池的工作原理：即充放电原理。Li-ion的正极材料是氧化钴锂，负极是碳。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。Li-ion就象一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅两端来回奔跑。所以，Li-ion又叫摇椅式电池。通俗来说电池在放电过程中，负极发生氧化反应，向外提供电子；在正极上进行还原反应，从外电路接收电子，电子从负极流到正极，而电流方向正好与电子流动方向相反，故电流经外电路从正极流向负极。电解质是离子导体，离子在电池内部的正负极之间定向移动而导电，阳离子流向正极，阴离子流向负极。整个电池形成了一个由外电路的电子体系和电解质的离子体系构成的完整放电体系，从而产生电能。正极反应：LiCoO2==== Li1-x CoO2 + xLi+ + xe 负极反应：6C + xLi+ + xe- === Li x C6 电池总反应：LiCoO2 + 6C ==== Li1-xCoO2 + LixC6

BI-K-1-锂空气电池研究的现状、发展和挑战

锂空气电池研究的现状、发展和挑战周豪慎*, 何平（南京大学现代工程与应用科学学院，能源科学与工程系，江苏，南京，210093, E-mail: hszhou@https://www.wendangku.net/doc/e95306602.html, ）高比能锂空气电池的理论能量密度是锂离子电池的10倍以上，是受到国际电池领域广泛重视的下一代储能器件。其理论工作电压为2.96V 。氧气作为最常见的氧化剂，在大气中资源丰富，获取成本低廉，有效地降低了电池的成本。氧气作为正极活性物质拥有最高达3350mAh/g 的比容量。此外，金属锂具备最低的电极电位（-3.04 vs. SHE ）,其作为负极比容量可达到3800mAh/g ，促进了电池的能量密度的大幅提升。基于Li 2O 2 生成和分解的反应，锂空气电池的理论能量密度高达3600 Wh/kg ，其实际全包装能量密度有望达到600 Wh/kg ，接近汽油在内燃机中燃烧所提供的能量密度（700 Wh/kg ）（见图1）。然而，目前锂空气电池的实际综合性能如循环寿命、倍率性能、能量转换效率、安全性等方面均离实用化有很大差距。锂离子锂硫锂空气实际能量密度/ W h ?k g -1 铅酸镍镉镍氢电池未来锂离子电池电池电池汽油内燃机图1，多种储能器件实际能量密度示意图。本报告将介绍我们于2007年开始在锂空气电池的理论和实验方面所进行的探索和取得的一些重要的研究结果。我们提出多孔电极内部氧化锂堵塞失效机制和锂空气电池铜腐蚀催化机理。为了解决多孔电极被氧化锂堵塞失效，开创了有机-水体系组合型电解液锂空气电池的研究方向，对溶液酸碱度及环境温度影响进行深入研究。开发出基于组合型电解液的一系列新型锂空气电池如薄膜锂空气电池、液流型锂空气电池、高功率锂空气电容电池等。在锂空气电池用催化材料方面也取得一些成果，首次引入了氮化钛和氮掺杂石墨烯材料，获得优良的电化学性能。最近我们通过制备碳纳米管/离子液体凝胶制备空气电极，获得优良的电子与离子通道的同时提高了电池在真实空气中的稳定性。二次锂空气电池涉及到电化学、催化化学、表面科学、纳米科学等多种学科。在实验上要解决锂空气电池存在的充放电效率低、循环性能差、倍率性能差这三个问题仍任重道远。此外，对于非水体系中锂空气电池充放电过程中存在的关键物理化学问题的研究仍然较少，充放电过程的机理仍不清楚。值得提及的是：虽然近年来国际学术界和产业界纷纷对二次锂空气电池体系展开大规模的基础研究，二次锂空气电池体系的研究我们和国际同行几乎处在同一起跑线，谁能够从理论和技术上把握影响二次锂空气电池性能的关键因素，谁将成为下一代超高比能化学电源技术的领跑者。本研究受国家重大科学研究计划资助（项目号2014CB932300）。参考文献： [1] Zhang Tao ，Zhou Haoshen*，Angew.Chem.In.Ed., 2012, 44, 11062. [2] Zhang Tao ，Zhou Haoshen*, Nat. Comm. 2013, 4. [3] Wang, Y.G.; Zhou, H.S., Journal of Power Sources 2010, 195, (1), 358

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