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锂离子嵌入机理

1980
  • M. Stanley Whittingham
  • John B. Goodenough
  • Akira Yoshino
电化学实验室中锂离子电池的拆卸过程。

(图片仅供参考)

Lithium-ion batteries function via an intercalation mechanism, a reversible insertion of ions into a layered host material. During discharge, 锂 锂离子(Li^+)从负极(阳极,通常是石墨)脱嵌,并在非水系电解质中移动,嵌入正极(阴极,通常是金属氧化物)。电子在外部电路中流动,产生电流。

The concept of intercalation is central to the success of lithium-ion batteries. Unlike older battery chemistries where the electrodes undergo significant chemical phase changes, intercalation involves lithium ions acting as ‘guests’ that slide into and out of the ‘host’ crystalline structure of the electrode materials. For the anode, the host is typically graphite, which has a layered structure allowing [latex]Li^+[/latex] ions to fit between its graphene sheets, forming [latex]LiC_6[/latex]. For the cathode, the host is a metal oxide, such as lithium cobalt oxide ([latex]LiCoO_2[/latex]), where lithium ions occupy layers between cobalt oxide sheets.

这一过程具有高度可逆性,不会显著改变宿主结构,因此循环寿命长,降解程度极低。非水有机电解质促进了离子的移动,因为锂与水的反应性很高。微孔聚合物隔板可防止阳极和阴极接触和短路,同时允许离子通过。.

充电过程中,外部电压迫使该过程逆转:锂离子从正极脱出,穿过电解液,重新嵌入石墨负极。 电化学势 锂的原子量低,加上锂的原子密度高,使得电池具有非常高的能量密度和比能量,因此电池彻底改变了便携式电子产品,并推动了向电动汽车的过渡。

UNESCO Nomenclature: 2203
- 电化学

类型

化学过程

中断

革命

用法

广泛使用

前体

  • Discovery of 锂 metal and its high electrochemical potential
  • 20世纪70年代插层化合物的基础研究
  • 稳定非水电解质的开发
  • 早期不安全的可充电锂金属电池原型

应用程序

  • 智能手机、笔记本电脑和平板电脑
  • 电动汽车(EV)
  • 无绳电动工具和园艺设备
  • 电网规模储能系统
  • 植入式医疗设备和助听器

专利:

  • US4357215A

潜在创新理念

  • 硅石墨复合阳极与自修复聚合物粘合剂一起控制体积膨胀
  • 人工智能驱动的电池管理系统,可预测电池性能退化并实时优化充电协议
  • structural batteries where the battery is part of the device’s chassis (e.g., a car door)
  • 双离子电池,利用阳离子和阴离子的嵌入
  • 自加热锂离子电池,可在寒冷气候下提高性能
  • aqueous 锂离子 batteries using ‘water-in-salt’ electrolytes for enhanced safety
  • 带有集成光纤传感器的电池,用于监测内部温度和应变
  • 采用湿法冶金回收有价值的阴极金属的回收工艺
相关内容: 锂离子、插层、阳极、阴极、电解质、可充电、能量密度、石墨.

历史背景

锂离子嵌入机理

1970
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1975
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1984
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1974-11-15
1980
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(如果日期未知或不相关,例如“流体力学”,则提供其显著出现的近似估计)

第十年 周年纪念日

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