鋅離子電池
關(guān)注創(chuàng)建者：憤怒的小雞 創(chuàng)建時間：2018-09-19
鋅離子電池的視頻教程
關(guān)于 ECM 鋰離子電池、單節(jié)電池和電池組（帶冷卻和不帶冷卻）的 CFD 仿真
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高精度的鋰離子電池建模與仿真
高精度的鋰離子電池建模與仿真主要內(nèi)容： 電池建模的必要性 電池建模所面臨的問題與挑戰(zhàn) 利用測試數(shù)據(jù)建立精確的電池模型 電池模型仿真與應(yīng)用
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鋅離子電池的實例教程
蓋世汽車訊 鋅離子電池在使用過程中會迅速降解退化，使其發(fā)展受限。據(jù)外媒報道，阿卜杜拉國王科技大學(xué)（KAUST）的研究團隊開發(fā)了一種新電解質(zhì)和電極組合，可從不同方面提高鋅離子電池的性能，尤其是在多次充放電循環(huán)后保持穩(wěn)定性。
（圖片來源：KAUST）
為了解決這些問題，該團隊開發(fā)了一種鹽濃度很高的水電解質(zhì)。在該溶液中，越多的鹽離子與周圍水分子結(jié)合，能夠破壞電極的游離水分子就越少。通常情況下，鋅鹽在水中的溶解度較低。該團隊通過加入鈉，以產(chǎn)生含高氯酸鋅和高氯酸鈉的高濃度電解質(zhì)。研究人員Zhu表示：“我們發(fā)現(xiàn)這種組合提供了非常高的溶解度，可以抑制水分活性。同時，不會降低鋅離子電池的關(guān)鍵特性，包括高離子導(dǎo)電性、安全性或環(huán)境友好性?！?除了創(chuàng)新電解質(zhì)，該團隊還開發(fā)了一種全新納米纖維基正極材料。研究人員Alshareef表示：“納米纖維形態(tài)能夠促進離子擴散，使水性鋅離子電池保持更快的充放電速率。”在測試過程中，經(jīng)過2000多次充電循環(huán)，電池幾乎未出現(xiàn)容量衰減?！斑@種電解質(zhì)和電極組合，有潛力解決傳統(tǒng)水性鋅離子電池存在的問題?！?連接可再生能源（如太陽能裝置或風(fēng)力田）的固定電池組，是現(xiàn)有化石燃料供電電網(wǎng)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。筆記本電腦或電動汽車等應(yīng)用，對電池尺寸和重量要求較高。與這些移動應(yīng)用中的電池不同，固定電池相對較大且重，因此可能采用替代鋰離子電池的可充電電池技術(shù)。
以鋅離子水基溶液為核心的電池，具有高容量、低成本和無毒等優(yōu)點，在固定存儲方面表現(xiàn)出巨大的潛力。
展開 鋅具有最低的電化學(xué)勢（-0.76V vs SHE），體積能量密度是金屬鋰的3倍，并且在地殼中儲量豐富、環(huán)境友好，因此鋅是一種理想的負極材料。與鋰離子電池相比，水體系工作的鋅離子電池具有更高的安全性及更低的成本，適用于大規(guī)模能量存儲領(lǐng)域。
但是，鋅負極在循環(huán)充放電的過程中比金屬鋰更易形成枝晶，電池短路的風(fēng)險極大，因此目前實際應(yīng)用的鋅離子電池都是單次使用的一次電池，而非像我們手機使用的可循環(huán)充放的鋰離子電池。參考鋰離子電池領(lǐng)域，采用Zn固態(tài)電解質(zhì)替代電解液有望實現(xiàn)Zn的均勻沉積并抑制枝晶生長，從而推廣Zn金屬二次電池的應(yīng)用。遺憾的是，由于二價Zn2+與晶格作用較強，目前尚未發(fā)現(xiàn)室溫下Zn2+離子電導(dǎo)率較高的固態(tài)材料。
北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授團隊利用金屬-有機框架材料（MOFs）具有利于離子快速遷移、高度可設(shè)計的有序孔道結(jié)構(gòu)，首次研發(fā)成功基于MOFs的Zn-單離子導(dǎo)體固態(tài)電解質(zhì)實現(xiàn)可穩(wěn)定充放電循環(huán)的鋅離子電池。相關(guān)成果發(fā)表于近期的國際材料與能源知名雜志Nano Energy（doi：j.nanoen.2018.11.038, 影響因子13.3）。
團隊利用離子化后修飾及離子交換等手段，成功地制備了基于MOF-808的Zn2+固態(tài)電解質(zhì)（WZM）（材料的制備過程如下圖所示）。它是一種固態(tài)的單Zn2+離子導(dǎo)體，室溫電導(dǎo)率高達0.21 mS?cm-1，Zn2+離子遷移數(shù)為0.93，電化學(xué)窗口為2.20V，滿足所有已知的鋅離子電池正極材料。這與在電解液中的沉積形貌不同（圖e），在WZM固態(tài)電解質(zhì)的作用下，鋅的沉積均勻、致密且沒有枝晶（圖f）。
通過對比研究發(fā)現(xiàn)，這種優(yōu)良的沉積形貌得益于帶負電的MOF孔道對Zn2+的限制和誘導(dǎo)沉積機制。他們利用WZM固態(tài)電解質(zhì)組裝了Zn|WAM|VS2固態(tài)電池并進行了測試。
展開 研究背景
在各類二次電池中，以鋅金屬作為負極的水系鋅離子電池具有成本低，資源豐富、安全無毒、理論比容量高等綜合優(yōu)點,被認為是最有潛力的大規(guī)模儲能電池體系。然而，鋅金屬負極的枝晶與腐蝕問題，損害著電池壽命，阻礙其走向應(yīng)用。由于鋅金屬的枝晶和腐蝕問題與鋅離子的傳輸行為和溶劑化結(jié)構(gòu)都有關(guān)，所以鋅負極優(yōu)化的關(guān)鍵在于同時調(diào)控鋅離子的傳輸行為和溶劑化結(jié)構(gòu)。
基于此，中南大學(xué)潘安強/常智教授團隊發(fā)現(xiàn)由無機鐵電材料誘發(fā)的Maxwell–Wagner極化電場，可一方面引導(dǎo)鋅離子進行有序遷移，均勻沉積，另一方面可去除鋅離子溶劑鞘結(jié)構(gòu)中的水分子，抑制腐蝕，提高電極可逆性。受益于這種協(xié)同作用，鋅負極在Maxwell–Wagner極化電場的作用下，Zn||Zn和Zn||Cu電池中分別表現(xiàn)出1400 h的循環(huán)壽命和99.9%的高庫侖效率。水NH4V4O10||Zn在2000個循環(huán)中容量保持132 mA h g-1。組裝的軟包電池性能優(yōu)越，在嚴苛的條件下，可以穩(wěn)定循環(huán)超150圈，無明顯產(chǎn)氣和漏液現(xiàn)象。其成果以題為 "Aligned Dipoles Induced Electric-Field Promoting Zinc-Ion De-Solvation toward Highly Stable Dendrite-Free Zinc-Metal Batteries" 在國際著名期刊Small上發(fā)表。
展開 水系鋅離子電池由于其高安全性和低成本的特點，在新一代可穿戴電池領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。然而傳統(tǒng)的水系鋅離子電池中枝晶生長和副反應(yīng)問題嚴重影響了鋅負極的可逆性，大大降低了電池的循環(huán)壽命。另外，水系電解液較高的凝固點也限制了其在低溫下的進一步應(yīng)用。
基于上述背景，東華大學(xué)武培怡團隊報道了一種將低成本的二甲基亞砜（DMSO）作為水系鋅離子電池電解液添加劑的策略，制備了ZnSO4-DMSO/H2O混合電解液。DMSO的加入重構(gòu)了Zn2+溶劑化結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了Zn2+的沉積動力學(xué)，有效實現(xiàn)了對鋅枝晶和副反應(yīng)抑制。同時，DMSO通過調(diào)節(jié)水的氫鍵降低了電解液的冰點，使鋅離子電池在寬溫度范圍內(nèi)均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能：對稱Zn/Zn電池分別在20℃和-20℃能夠穩(wěn)定電鍍/剝離超過2100 h和1200 h，Zn/MnO2電池在20℃和-20℃能夠分別穩(wěn)定充放電超過3000個循環(huán)和 300個循環(huán)。
圖1. DMSO添加前后Zn2+溶劑化結(jié)構(gòu)及沉積行為的相應(yīng)示意圖。
作者通過紅外、拉曼光譜及核磁共振譜詳細表征了DMSO添加劑對混合電解液氫鍵和Zn2+溶劑化結(jié)構(gòu)的影響：1）體系中的氫鍵重構(gòu)，原H2O與H2O之間的氫鍵（H-O····H-O）被破環(huán)，DMSO與H2O之間氫鍵（S=O····H-O）形成，有利于降低電解液的冰點，也可以減少電化學(xué)循環(huán)過程中由水引起的一系列的副反應(yīng)；2）與H2O相比，在ZnSO4存在時DMSO加入后1H更加明顯的位移證實了DMSO對Zn2+的溶劑化作用的影響。
圖2.
展開 （b）最終的完整電池，（c）機械彎曲，（d）扭曲和（e）拉伸的照片。
圖
5.
（a）不銹鋼/電解質(zhì)/不銹鋼電池中以鋅箔為參比電極的PAM水凝膠電解質(zhì)的CV曲線，掃描速率為0.2至2.0 V之間的0.2 mV s
–1
。（b）CV曲線 以1 mV s–1處的鋅陽極（紅線）和α-MnO2陰極（藍線）的角度，其中PAM水凝膠電解質(zhì)介于兩者之間，并且以鋅箔作為參比電極。（c）完全組裝的透明全電池的透光率和照片（插圖）。（d）透明無應(yīng)變電池的前五個循環(huán)的CV曲線，掃描速度為0.1 mV s
–1
，介于1和1.8 V之間。（e）透明無應(yīng)變電池在1 C電流密度下的循環(huán)性能。（f）透明無應(yīng)變
電池在
1 C，電流密度為1 C時的第1次，第10次，第100次和第120次循環(huán)的GCD曲線。
圖
6.
（a）透明鋅離子電池在50％應(yīng)變下的照片。（b）頂部電極在50％應(yīng)變下的光學(xué)顯微鏡圖像。（c）在0–50％應(yīng)變下整個細胞的透光率。（d）透明電池在0–50％應(yīng)變下的GCD分布圖，并在1 C的電流密度下釋放到初始狀態(tài)。（e）透明電池在0–50％應(yīng)變下在120循環(huán)下的循環(huán)性能 電流密度為1C。（f）透明鋅離子電池在0–50％應(yīng)變下的奈奎斯特圖。
參考文獻
：
doi.org/10.1021/acsaem.1c00958
版權(quán)聲明
：「
高分子材料科學(xué)
」公眾號旨在分享學(xué)習(xí)交流高分子聚合物材料學(xué)等領(lǐng)域的研究進展。上述僅代表作者個人觀點。如有侵權(quán)或引文不當(dāng)請聯(lián)系作者修正。商業(yè)轉(zhuǎn)載或投稿請后臺聯(lián)系編輯。感謝各位關(guān)注！
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《J. Mater. Chem.
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鋅離子電池的最新內(nèi)容
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以下綜述展示了針對鋰電池組件的仿真模擬實例，包括了陽極/陰極/電解質(zhì)和制造過程。本文主要使用SIESTA(第一性原理計算引擎)，介紹了在全固態(tài)電池的固體電解質(zhì)中插入鋰離子到陰極/陽極以及鋰離子擴散所引起的物理性質(zhì)變化的實例。
1．用作陽極的石墨和非晶硅吸收和解吸鋰離子而引起的體積膨脹與收縮、彈性模量和電子態(tài)密度的變化。
2．評估用作陰極的LiCoO2的體積模量。
3．評估鋰離子在固體電解質(zhì)
來源 | Journal of Energy Storage
01
背景介紹
隨著社會向低碳經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，未來幾十年電池行業(yè)可能會出現(xiàn)數(shù)量級的增長。電池的生產(chǎn)用途廣泛，每種用途都有特定的電力需求，從電力電子設(shè)備、啟動電池設(shè)備到各種儲能設(shè)備。由于其卓越的能量密度、較長的循環(huán)壽命和較低的自放電率，鋰離子電池已成為儲能技術(shù)的首選。然而，鋰離子電池的效率
鋰離子電池的仿真模擬
以下綜述展示了針對鋰電池組件的仿真模擬實例，包括了陽極/陰極/電解質(zhì)和制造過程。本文主要使用SIESTA(第一性原理計算引擎)，介紹了在全固態(tài)電池的固體電解質(zhì)中插入鋰離子到陰極/陽極以及鋰離子擴散所引起的物理性質(zhì)變化的實例。
1．用作陽極的石墨和非晶硅吸收和解吸鋰離子而引起的體積膨脹與收縮、彈性模量和電子態(tài)密度的變化。
2．評估用作陰極的LiCoO2
3 總結(jié)和展望
在鋰離子電池的研究中，仍存在許多科學(xué)問題尚未解決，這些問題嚴重影響著鋰離子電池的安全性能和使用壽命。例如，鋰枝晶的生長演化、SEI膜的形成和破裂演化、正極顆粒在循環(huán)中的破裂、電池壽命預(yù)測、熱失控、以及電池組的電池狀態(tài)實施監(jiān)測和管理等問題。這些問題涉及到電場、濃度場、力場和溫度場等多個物理場之間的耦合，很難通過單一的實驗表征手段對各個驅(qū)動力進行分別觀測，更難以給出多場耦合的綜合結(jié)果
摘要: 鋰離子電池的綜合性能不僅取決于材料和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，還與制造工藝及相關(guān)設(shè)備技術(shù)的進步息息相關(guān)。目前電池制造廠商針對不同體系的電池工藝開發(fā)多采用窮舉法進行實驗試錯，在工藝仿真技術(shù)方面還存在較大的發(fā)展空間。面向電池高質(zhì)量制造發(fā)展和數(shù)智化升級的行業(yè)發(fā)展趨勢，本文結(jié)合宏觀電池制造設(shè)備和微觀電池電極結(jié)構(gòu)兩個角度，對電池制造工藝仿真研究現(xiàn)狀進行了系統(tǒng)總結(jié)，分析了各工序工藝仿真技術(shù)機理研究、結(jié)構(gòu)發(fā)展及應(yīng)用前景
來源 | 電源技術(shù)
作者 | 楊朝蓬，張寧，段志宇
單位 | 中國電子科技集團公司第十八研究所
摘要：鋰離子電池作為電動汽車動力電池首選，維持其工作在最佳溫度范圍需要應(yīng)用散熱系統(tǒng)。針對常用的風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，闡述了不同類型的特點，綜述了國內(nèi)外在電池內(nèi)部流道、進出風(fēng)口結(jié)構(gòu)、冷卻空氣流體參數(shù)等方面開展的仿真與實驗研究，以及采用優(yōu)化算法和優(yōu)化策略，改善電池內(nèi)部溫度和溫差的優(yōu)化設(shè)計研究
來源 | Nature Communications
01
背景介紹
隨著全球范圍內(nèi)能源危機的出現(xiàn)，并在“雙碳”目標驅(qū)動下，鋰離子電池獲得了蓬勃發(fā)展，然而電池?zé)崾Э乇挥鳛橥{電池安全的“癌癥”，是制約電動汽車與新型儲能規(guī)?；l(fā)展的核心瓶頸。因此亟需深入理解鋰離子電池?zé)崾Э匮葑儥C制，并提出早期預(yù)警策略以防止火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生
來源：ELSEVIER
清華大學(xué)歐陽明高院士團隊系統(tǒng)性地研究了老化路徑對鋰離子電池?zé)崾Э匦袨榈挠绊?研究成果在eTransportation國際交通電動化雜志上發(fā)表。題為“A comparative investigation of aging effects on thermal runaway behavior of lithium-ion batteries”。
1.背景介紹
來源 | Journal of Energy Storage
01
背景介紹
由于全球變暖問題不斷加劇，對清潔能源替代品的需求持續(xù)增長，電動汽車電池憑借高效率、安全性和可靠性等特點，使電動汽車(EV)行業(yè)迎來了大幅增長。然而，這些電池也存在一些限制因素，盡管生產(chǎn)小型、安全、高性能、和可靠的電池有困難，但這也迫使電動汽車制造商在電池領(lǐng)域進行更多的投資
