原理、材料与应用的宝藏探秘—锂离子电池

时间: 2024-12-18
作者: 百灵威
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原理、材料与应用的宝藏探秘—锂离子电池-百灵威

    锂离子电池,作为二次电池代表,借锂离子于正负极间嵌入脱嵌工作。充电时,锂离子从正极移至负极,放电相反,同时外电路电子流动生电流。正极多为含锂化合物,负极常用石墨等,电解质传导离子,隔膜防短路且让离子通过。其能量密度高、循环寿命佳、自放电率低且无记忆效应,在多领域广泛应用。

    锂离子电池主要依据正极材料分类,包括磷酸铁锂(LiFePO₄)锂离子电池,其安全性高、循环寿命长、成本较低、能量密度适中,常用于电动汽车中的电动公交车和物流车等商用车以及储能系统;三元锂离子电池(NCM 和 NCA)能量密度高、功率性能好、低温性能相对较好,但成本受原材料价格波动且安全性稍差,在对续航要求高的乘用电动汽车和高端消费电子设备中应用广泛;锰酸锂(LiMn₂O₄)锂离子电池成本低、安全性较好,不过能量密度和循环寿命有局限,多应用于电动工具以及小型电动汽车和低速电动车;钴酸锂(LiCoO₂)锂离子电池工作电压高、能量密度较高,但循环寿命和安全性在特定环境下有不足,曾是笔记本电脑、智能手机等消费电子产品的主要电池类型,不过如今市场份额逐渐被其他高性能电池挤占。

    锂电池内部结构精妙,各部分协同运作以达成电能存储与释放。正极材料借特定化学试剂主导工作电压等;负极材料凭相关物质实现锂离子嵌入与储存;电解质借化学溶剂与锂盐确保离子传导;隔膜用特殊材质隔离正负极并使离子通行,它们与化学试剂的配合铸就锂电池的出色性能。

一、正极材料

    正极材料是锂离子的重要来源之一。在充电过程中,正极材料中的锂离子会在电场作用下从晶格中脱出,进入电解液,为后续锂离子向负极的迁移提供基础。例如钴酸锂(LiCoO₂),其晶体结构中含有可脱嵌的锂离子,充电时锂离子从LiCoO₂中脱出。

    不同的正极材料具有不同的氧化还原电位,这直接决定了锂电池的工作电压。如钴酸锂的工作电压相对较高,一般在3.7V左右,而磷酸铁锂(LiFePO₄)的工作电压则相对较低,约为3.2V左右。工作电压的高低影响着电池的能量密度和输出功率,进而影响锂电池的应用场景。

    百灵威可提供多种正极用材料及其合成原料,相关产品信息如下:

品名 CAS 货号
Lithium iron(II) phosphate, 99.9%
磷酸铁锂(II)
15365-14-7 626750
Lithium carbonate, 99%, ACS reagent
碳酸锂
554-13-2 937805
Lithium hydroxide, 99%, anhydrous
氢氧化锂
1310-65-2 500019
危化品
Lithium acetate, 99%
乙酸锂
546-89-4 594718
Ferrous oxalate
草酸亚铁
516-03-0 1229140
Iron(II) acetate, 95%
醋酸亚铁(II)
3094-87-9 471598
Ammonium dihydrogen phosphate, 99%, ACS reagent
磷酸二氢铵
7722-76-1 139832
Ammonium phosphate dibasic, 99%, for analysis
磷酸氢二铵
7783-28-0 209424
Iron(III) phosphate hydrate
磷酸铁
51833-68-2 93-2647
Iron(II) chloride, 99.99%, anhydrous
氯化铁(II)
7758-94-3 960107
Phosphoric acid, 85% solution in H2O, ACS reagent
磷酸
7664-38-2 933962
危化品
Nickel(II) sulfate hexahydrate (99.99%-Ni) PURATREM
硫酸镍六水合物
10101-97-0 93-2856
危化品
Nickel(II) chloride, Ni≥42%, anhydrous
氯化镍(II)
7718-54-9 907394
危化品
Cobalt(II) sulfate heptahydrate, 98%
硫酸钴(II) 七水合物
10026-24-1 391181
危化品
Cobalt nitrate hexahydrate, 98%, ACS reagent
硝酸钴六水合物
10026-22-9 501895
危化品
Cobalt(II) chloride, 97%, anhydrous
氯化钴(II)
7646-79-9 989962
危化品
Manganese(II) Sulfate Hydrate
硫酸锰(II)水合物
15244-36-7 M245815
Manganese(II) nitrate, 50-52% aqueous solution
硝酸锰水合物
10377-66-9 93-2517
危化品
Aluminum oxide, AR
氧化铝
1344-28-1 900309
Zinc sulfate heptahydrate, 99.5%, for analysis
硫酸锌七水合物
7446-20-0 933087
Aluminum sulfate octadecahydrate, 99%, for synthesis
硫酸铝十八水合物
7784-31-8 905226
Aluminum nitrate nonahydrate, 99%, AR
硝酸铝九水合物
7784-27-2 510205
危化品

二、负极材料

    充电时,锂离子从正极脱嵌经电解液嵌入负极,而放电时,负极材料需具备良好的锂离子嵌入脱嵌能力,像石墨的层状结构利于锂离子可逆存储以保障充放电。负极材料容纳锂离子数量影响电池容量与能量密度,硅基负极理论比容量高但有体积膨胀问题。其表面性质、晶体结构稳定性关乎充放电效率与循环性能,石墨结构稳定循环性好,合金类负极虽容量高却因体积变化大易损循环寿命。同时,负极材料还涉及安全性,金属锂负极易生锂枝晶致短路,而碳基负极如石墨化学稳定性佳,可提升电池安全性。

    百灵威可提供多种锂电池负极材料及其合成原料,相关产品信息如下:

品名 CAS 货号
Activated charcoal, 10 - 100 mesh
活性炭
7440-44-0 945540
Graphene, 98%, reagent grade, thickness: 0.55 - 3.74 nm, diam.: 0.5-3μm, layers: <10
石墨烯
1034343-98-0 966627
Carbon nanotube / carbon black filler, High conductivity and strong wear resistance
碳纳米管/炭黑填料
308068-56-6 998106
Carbon nanotubes, multi-walled, as produced cathode deposit
炭黑
308068-56-6 06-0504
Graphite, 99%, powder
石墨粉
7782-42-5 450621
Silicon, 99.9%, <5 μm
7440-21-3 910676
危化品
Diphenylsilane, 99%
二苯基硅烷
775-12-2 956018
Methylphenylsilane, 95%
甲基苯基硅烷
766-08-5 355153
Sucrose, AR
蔗糖
57-50-1 930148

三、电解质溶液及电解质溶液添加剂

    锂离子电池的典型电解质包括液态电解质与固态电解质。液态电解质中,碳酸酯类电解液较为常见,由碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等有机溶剂与六氟磷酸锂等锂盐组成,广泛应用于消费电子和电动汽车领域;醚类电解液以乙二醇二甲醚、四氢呋喃等醚类溶剂搭配锂盐,适用于对低温性能有要求的电池如寒冷地区户外电子设备、特种车辆启动电池等。固态电解质方面,硫化物固态电解质由锂、硫和其他金属元素组成,离子电导率较高,是全固态锂电池研究重点,有望应用于高性能高安全性电池;氧化物固态电解质由锂、氧和其他金属元素构成,如石榴石型结构的Li₇La₃Zr₂O₁₂,机械强度高、化学稳定性好,适用于安全性要求极高的场景如航空航天、军事装备等领域的电池以及一些基础研究和小型高性能电池应用场景。

    百灵威可提供多种锂离子电池电解质以及电解质添加剂及其合成原料,相关产品信息如下:

品名 CAS 货号
Electrolyte, battery grade, 1.0M LiTFSI in DME:DOL=1:1 Vol%
电解液
/ 950080
Electrolyte, battery grade, 1.0M LiTFSI in DOL:DME=1:1 Vol% with 2.0%LiNO3
电解液
/ 908775
Electrolyte, battery grade, 1M LiPF6 EC:DEC:DMC=1:1:1
电解液
/ 951637
Electrolyte, battery grade, 1M LiPF6 EC:DMC=1:1 Vol%
电解液
/ 913659
Electrolyte, battery grade, 1.0M LiPF6 in EC:DEC:EMC=1:1:1 Vol%
电解液
/ 906062
Electrolyte, battery grade, 1.0M LiPF6 in EC:DEC=1:1 Vol%
电解液
/ 962613
Electrolyte, battery grade, 1.0M LiPF6 in EC:DEC=1:1 Vol% with 5.0%FEC
电解液
/ 946954
Electrolyte, battery grade, 1.0M LiPF6 in EC:DMC:EMC=1:1:1 Wt%
电解液
/ 986040
Electrolyte, battery grade, 1.0M LiPF6 in EC:DMC=1:1 Vol% with 5.0%FEC
电解液
/ 936456
Electrolyte, battery grade, 1.0M LiTFSI in DME:DOL=1:1 Vol%
电解液
/ 950080
Lithium tetrafluoroborate, 98%
四氟硼酸锂
14283-07-9 128379
Tetraethylammonium hexafluorophosphate, 99%
四乙基六氟磷酸铵
429-07-2 143363
Lithium sulfide, 99.9%
硫化锂
12136-58-2 288745
Lithium phosphate, 99%
磷酸锂
10377-52-3 539600
Lithium carbonate, 99%, ACS reagent
碳酸锂
554-13-2 937805
Lithium bromide solution, 1.5 M solution in THF, J&KSeal
溴化锂溶液
7550-35-8 978783
Sodium tetrafluoroborate, 98%
四氟硼酸钠
13755-29-8 580425
Sodium hexafluorophosphate, 99%
六氟磷酸钠
21324-39-0 158912
Lithium bis(fluorosulfonyl)amide, 99%
双(氟磺酰)亚胺锂
171611-11-3 9005856
Lithium hexafluorophosphate, 99%
六氟磷酸锂
21324-40-3 935807

四、隔膜材料

    锂离子电池隔膜材料极为重要,它能物理隔离正负极,防止短路保障安全,其微孔结构允许锂离子自由穿梭以确保电池充放电顺利进行,还可提升电池循环寿命并影响倍率性能。

品名 CAS 货号
2320 Isolation membrane 100mmx10m, Thickness: 20μm
2320 隔离膜 100mmx10m
/ 921965
2320 Isolation membrane 100mmx250m, Thickness: 20μm
2320 隔离膜 100mmx250m
/ 9393598
2325 Isolation membrane 100mmx250m, Thickness: 25μm
2325 隔离膜 100mmx250m
/ 9393600
2325 lsolation membrane 100mmx10m, Thickness: 25μm
2325 隔离膜 100mmx10m
/ 9393599
2500 Isolation membrane 100mmx10m, Thickness: 25μm
2500 隔离膜 100mmx10m
/ 9393594
2500 Isolation membrane 100mmx400m, Thickness: 25μm
2500 隔离膜 100mmx400m
/ 9393596

五、氢气传感器

品名 CAS 货号
MEMS, H2 detection range: 0.1–2000 ppm
MEMS氢气传感器
/ 9451826
六、相关耗材
品名 CAS 货号
5 mm NMR Economy Sample Tube w/ Cap, 7″, High-Throughput
5毫米,高通量经济型核磁管,7英寸
/ 1001281
Magnetic stir bar, PTFE-coated, cylindrical,without pivot ring, C60 (3mm*6mm), 5 pcs/pack
聚四氟乙烯磁力搅拌子,圆柱型,无轴环
/ 2736330
Crimp-top vials, 2ml, 11.6×32mm, with marking spot,amber, large opening
样品瓶
/ 920035
Laboratory consumables, disposable dispenser for laboratory use (without needle), limited to scientific research use only, 2-piece, pp, 5 ml
实验室耗材, 实验室用一次性加液器(无针头), 仅限科研使用
/ 972645
Centrifuge tubes, 50 ml, scale can stand on a pointed bottom, 25 pieces/bag, 2 bags/bag
离心管
/ 966183
PCR tube caps, suitable for 0.2 ml RTPCR, strips of 8, flat cap, 125 strips/pack
PCR管盖
/ 1438748
TLC aluminum oxide plates (fluorescent indicator), Neutral,F254,200*100 mm, layer thickness: 0.2±0.02, particle size: ≥400 mesh
薄层层析氧化铝板(含荧光)
/ 978011
Wash bottle, 500 ml, bottle: LDPE, cap: PP, 10 pcs/pack
塑料洗瓶
/ 984183
Plastic graduated cylinder, capacity: 50 ml, 1 PAK=12 EA
塑料量筒
/ 2742049
304 Stainless Steel Micro-Spatula, 125mm, one end rounded and hend up, the other end square
304不锈钢药刮
/ 9076550
Pipette fillers, 15 ml, blue, frosted, 20 pcs/pack
洗耳球
/ 1208125

七、智慧实验室

品名 CAS 货号
FindMolecule ELN, Academic Basic
ELN电子记录本系统服务
/ 9269008
FindMolecule IMS, Academic Basic
实验室库存管理系统服务
/ 9269003
Smart Hazardous Chemical Management Cabinet HCA00, Container size: 900 * 500 * 1980mm, internal size: 650 * 420 * 1550mm, volume 423L
RFID酸碱柜HCA-400
/ 9410144

八、Bio-Vanguard

品名 CAS 货号
Bio-Vanguard® Disinfectant Spray
清萨灵®消毒剂
/ 916670
Bio-Vanguard® Antimicrobial Rinse-free Foaming Hand Sanitizer
清萨灵®泡沫抗菌免水洗手液
/ 965255
Antibacterial polycotton laboratory coats, L(170-175cm,60-70kg)
涤棉抗菌实验服
/ 966163
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