S01E03: 电池,接着装!

总述

我是一名材料系的研究生,现在正通过磷酸铝包覆方法来提升锂离子电池正极材料镍钴铝酸锂(NCA)材料性能。

电池

石油等化石燃料的使用维持着社会的正常运转,但因其过度使用,化石燃料已接近枯竭,同时带来了严重的环境污染问题,所以必须开发太阳能等清洁可再生能源。但这些可再生资源由于时间和空间分布不均,难以被全人类共享,因此需要发展存储资源技术。在这些技术中,电池技术因电能的清洁易用受到广泛关注。

锂离子电池

电池是由两个板(称为正极和负极)以及其间液体(称为电解液)构成。当正负极间用电线连上灯泡时,电子就从负极经灯泡迁移到正极,灯泡就被点亮,同时正负极发生各自化学反应。电池发展有两个趋势:一是电池要提供更高的电压,每公斤电池放出的电子量(比容量)要更多;二是每公斤的电池成本要更低。按正负极材料分,电池先后发展出了铜锡电池,铅酸电池,碳锌电池(干电池),碱性电池,镍镉电池,镍氢电池,锂离子电池等体系。现在手机,笔记本电脑等移动设备中用的大都是锂离子电池。

NCA材料及问题

现在锂离子电池主流的正极材料是钴酸锂,但因其成本高,比容量低,具有一定毒性限制了它的使用范围,因此需要开发其它材料。其中一种就是我在研究的镍钴铝酸锂材料(NCA)。该材料相较钴酸锂比容量高,成本低,毒性小,但也存在以下问题。首先,NCA材料高温(200度)下会发生分解,放出大量热,电池受热有爆炸风险,热稳定性较差;其次,NCA材料会与电解液发生反应,降低电池容量。

磷酸铝包覆法

目前我打算将磷酸铝覆盖在NCA材料表面,通过其将NCA材料与电解液隔开来阻止反应发生,,同时利用磷酸铝自身良好的热稳定性来保持NCA材料高温下的稳定性。主要制备流程是先用硝酸铝和磷酸氢二铵反应生成磷酸铝,再将其与NCA材料混合均匀,经高温煅烧后生成产物,然后将其装成电池后进行测试,主要检测电池在常温(25度)和高温(55度)下电池跑了一定圈数(100圈)后电池的剩余电量。为选取最优材料性能,需要不断重复材料制备和电池装配的过程。

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