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锂离子电池中的尺寸效应与表界面问题研究


□ 李 泓 王兆翔 黄学杰 陈立泉

  摘.要文章介绍了锂离子电池中的尺寸效应与表界面问题的研究.从热力学与动力学方面讨论了小尺寸材料与体材料性质的区别以及作为储能材料的优缺点.从实际考虑,建议发展动力学稳定的纳米结构电极材料.
  关键词锂离子电池, 尺寸效应,表界面问题,热力学,动力学
  Size effects and surface/interface issues in lithium ion batteries
  LI.HongWANG Zhao\|XiangHUANG Xue\|JieCHEN Li\|Quan
  (Nanoscale Physics and Devices Laboratory, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)
  AbstractOur efforts in developing nanostructured electrode materials and investigating the transport, storage and and reaction of lithium on the nanoscale level in lithium ion batteries are summarized briefly. With regard to the thermodynamics, there are many defects in small size materials which leads to instability and modification of various properties of the bulk materials. With regard to the kinetics, nanostructured materials possess large cross section reaction areas and short diffusion lengths, which in principle are beneficial for transport and reactions. However, the kinetic advantages of nanostructured materials cannot be exploited due to side reactions on the surfaces and interfaces. Therefore, the development of kinetically stable nanostructured materials should be pursued for practical applications.
  KeywordsLi\|ion batteries, size effect, surface/interface, thermodynamics, kinetics
  
  1.引言
  
  清洁高效的能源储存与转换技术是可持续发展的关键技术之一.随着消费电子、电动工具、电动交通工具、分散式电源供给系统、储备电源等领域的飞速发展,迫切需要具有更高能量密度、更高功率密度、更长寿命的可充放化学电源. 图1为目前主要的可充放化学电源能量密度、功率密度的研究现状与各国政府提出的主要技术指标.可见现有技术仍然不能满足人们的中长期目标的要求.
  “锂离子电池”的原始概念是1980年首先由Armand[1]提出的,即正负极材料均采用可以储存和交换锂离子的层状化合物,充电时正极中的锂离子脱离晶格,经过电解液嵌入负极;放电时过程相反,相当于锂的浓差电池.由于在充放电过程中,锂离子在正负极间来回不停地穿梭,因此形象地称为摇椅式电池(rocking chair battery),日本科学家后来将其命名为锂离子电池[2].1990年,日本SONY公司率先将锂离子电池商品化[3].目前小型锂离子电池中的正极材料与负极材料为具有层状晶体结构的LiCoO2与石墨.
  
  除了能量密度与功率密度指标外,作为可充放化学电源,循环寿命、储存寿命、电池原材料与工艺成本、工作温度范围、环境污染等因素都会影响锂离子电池的商业化,同时也导致锂离子电池的多元化发展,用于满足不同的消费需求.目前单一的电池材料体系,还无法同时满足不同需求的所有技术指标,实际应用往往是各种技术指标平衡的结果.
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摘自:物理 2008年第06期  
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