快速充放电铝离子电池原理
详细内容
篇一:《铝离子电池充电1小时可用三四天》
铝离子电池充电1小时可用三四天自燃爆炸、寿命短、电量不耐用……随着电动汽车、智能手机的普及，电池的缺
陷日益困扰着人们的日常生活。如今，随着物理学院副教授鲁兵安等人的研究成果——铝离子电池面世，这些问题都有望得到解决，电池产业亦将产生革命性变化。伦敦时间4月6日，国际顶级学术刊物《Nature》在线发表了鲁兵安等作为第一作者的论文《快速充放电铝离子电池》。这标志着我校在《Nature》发文实现零的突破。
电池，特别是锂离子电池，在日常生活中频繁使用，但锂电池容量低、寿命短，且存在高温、碰撞等条件下容易自燃或爆炸等巨大安全隐患。高容量和安全的可充电铝电池一直是科学界致力于研究的现有电池的取代品，然而由于铝电池正极材料容易被腐蚀和不能有效的进行放电等问题，在过去30年中可充电铝电池始终处于概念阶段。
可快速充电、柔性、离子液体、二次铝电池成功研发
鲁兵安副教授等人用石墨作为正极材料，并用一种相当于盐溶液的离子液体作为电解液，从而解决了铝电池研究在材料上的瓶颈问题。实验发现用三维石墨作为电池正极材料，由于三维石墨优良的导电性能和巨大的比表面积，能够极大的缩短电池的充电时间。过去在iPhone等使用锂电池的手机上需要1个小时才能完成
的充电量，
在该铝电池上1分钟即可完成。今后，铝电池充电1小时，手机使用3、4天不再是假想。同时，铝电池寿命更长。实验证明，铝电池循环7500次后，容量几乎没有衰减。而普通锂电池的循环寿命一般为300次。
以三维石墨为正极的铝电池材料形貌与性能表征{快速充放电铝离子电池原理}.
除了安全、寿命长、快速充电慢速放电等优点，相较于锂电池，铝电池生产成本将更低，还有电解产生的离子液体无毒等环保优势。今后，铝电池不仅可以使用在如今通用的手机等小家电上，还将在电动汽车等容易产生剧烈碰撞与高温地方取代目前的电池。
鲁兵安演示可快速充电、柔性、离子液体、二次铝电池
在世界能源发展的趋势从发展新能源转向能源储备的今天，《Nature》杂志认为该研究成果，首次实现了可充电铝离子液体电池，可应用于现代各种电子设备从而改善人类的生活方式。目前该成果已经在美国获得了多项专利保护，并有数家知名企业致力于买0断该专利。
据了解，《Nature》杂志是国际上最具影响力的学术期刊之一。其发表的论文代表了某一重要科学问题的实质性进展,具有近期和远期的重要影响。
篇二:《华人教授研发新型铝离子电池一分钟即可充满》华人教授研发新型铝离子电池一分钟即可充满{快速充放电铝离子电池原理}.
2015年04月08日
北京时间4月8日消息，华人科学家发明了第一批快速充电、更持久且更廉价的高性能铝电池。研究人员表示这一最新科技提供了现在普遍使用的很多商业电池的更安全替代品。{快速充放电铝离子电池原理}.
铝离子电池
“我们研发了一种可充电的铝电池，它可以取代现有的存储设备，例如对环境有害的碱性电池，或者有着火风险的锂离子电池。”华人教授这样说道。“我们研发的最新电池不会着火，哪怕你钻透电池。”
这项创新性铝离子电池研究被发表在4月6日。铝成本低，可燃性低，且具有高电荷存储能力，因此一直是用作电池颇具吸引力的材料。在过去几十年，研究人员致力于研发商业可行的铝离子电池，却一直以失败告终。其中面临的一个重要挑战便是找到在经历了反复充电和放电后仍能够产生足够电压的材料。
石墨阴极
铝离子电池包含两个电极：一个由铝制成的带负电阳极和一个带正电石墨阴极。“人们尝试过不同的材料用作阴极，”科学家说道。“我们意外的发现这个问题的简单解决办法便是使用石墨，石墨本质上就是碳。在我们的研究里，我们发现了一些类型的石墨材料可以产生非常好的特性。”研究小组将实验性的电池安装了铝阳极和石墨阴极，同时在一个灵活的聚合物包裹的口袋里装满离子液体电解质。“这个电解质其实就是室温下的液态盐，因此它非常安全。”研究者这样说道。铝电池比传统的锂离子电池更加安全，后者被广泛用于上百万台笔记本电脑和手机里，科学家补充说道。“锂离子电池可能是火灾灾害。”
例如，科学家提到了有的航空公司近期决定禁止向客机运输大量锂电池。“在我们的研究里，视频显示你钻透了铝电池的口袋后它还能够继续工作一段时间且不会着火。”科学家说道。“相比之下，锂电池很可能以无法预料的方式着火——在空中，在汽车里或者在你的口袋里。除了安全问题，我们还在铝电池性能方面取得了重大的突破性进展。”
其中一个例子便是超快充电。智能手机用户都知道锂离子电池充电需要数小时，但研究小组表示“利用（他们的）铝电池模型，电池充电时间急剧减少至一分钟”。
耐用性是另外一个重要因素。其它实验室研发的铝电池在100次充电-放电循环后就寿终正寝了。但斯坦福小组研发的电池在经历7500次充电-放电循环后仍保证电池性能不下降或丢失。“这是首次研发经历上千次循环后仍保持稳定性的超快铝离子电池。”研究者这样写道。
相比之下，典型的锂离子电池只能维持1000次充电-放电循环。“铝电池的另一个特征便是灵活性。”科学家说道。“你可以弯曲或者折叠它，因此它具有应用于柔性电子设备的潜力。此外，铝还是比锂更廉价的金属。”
应用
除了小型电子设备，铝电池还可被用于电网里存储可再生能源。“电网需要具有较长循环寿命的电池以快速存储和释放能量，”科学家解释道。“我们最新未发表的数据显示铝电池可以被再充电上万次。很难想象为了电网存储而建造一个巨大的锂离子电池。”
铝离子技术还能够提供一次性碱性电池的更环境友好的替代产品。“上百万名消费者使用1.5伏的AA和AAA电池，我们的可充电铝电池可以产生2伏电压。这比任何铝电池可以产生的电压都要高。”但科学家表示还需要更多改进以实现与锂离子电池的电压相匹配。“我们的电池只能达到典型锂电池电压的一半，但改进阴极材料应该可以最终增加电压和能量密度。这样的话，我们创造的电池将满足你设想的电池的一切特性：不昂贵的电极、安全、高速充电、灵活和较长寿命。我已经看到了这类新电池的雏形，这真是令人兴奋。”
这项研究得到了能源部的支持。
篇三:《锂离子电池工作原理》锂离子电池工作原理
正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。
负极反应：放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。
电池总反应{快速充放电铝离子电池原理}.
以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。Li-ionBatteries就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以Li-ionBatteries又叫摇椅式电池。
一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间，电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。而且，过大的电流充电，容量不够满，因为电池内部的电化学反应需要时间。就跟倒啤酒一样，倒太快的话会产生泡沫，反而不满。正极{快速充放电铝离子电池原理}.
正极材料：可选正极材料很多，目前主流产品多采用锂铁磷酸盐。
正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。
充电时：LiFePO?→Li1-xFePO?+xLi+xe{快速充放电铝离子电池原理}.
放电时：Li1-xFePO?+xLi+xe→LiFePO?
负极
负极材料：多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。
负极反应：放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。
充电时：xLi+xe+6C→LixC6
放电时：LixC6→xLi+xe+6C
锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。组成部分
钢壳/铝壳/圆柱/软包装系列：
（1）正极——活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂，镍钴锰酸锂材料，电动自行车则普遍用镍钴锰酸锂（俗称三元）或者三元+少量锰酸锂，纯的锰酸锂和磷酸铁锂则由于体积大、性能不好或成本高而逐渐淡出。导电集流体使用厚度10--20微米的电解铝箔。
（2）隔膜——一种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，可以让锂离子自由通过，而电子不能通过。
（3）负极——活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔。
（4）有机电解液——溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，聚合物的则使用凝胶状电解液。
（5）电池外壳——分为钢壳（方型很少使用）、铝壳、镀镍铁壳（圆柱电池使用）、铝塑膜（软包装）等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端。
工作效率
锂离子电池能量密度大，平均输出电压高。自放电小，好的电池，每月在2%以下（可恢复）。没有记忆效应。工作温度范围宽为-20℃～60℃。循环性能优越、可快速充放电、充电效率高达100%，而且输出功率大。使用寿命长。不含有毒有害物质，被称为绿色电池。
电解质溶液
溶质：常采用锂盐，如高氯酸锂(LiClO4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)。溶剂：由于电池的工作电压远高于水的分解电压，因此锂离子电池常采用有机溶剂，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有机溶剂常常在充电时破坏石墨的结构，导致其剥脱，并在其表面形成固体电解质膜(solidelectrolyteinterphase，SEI)导致电极钝化。有机溶剂还带来易燃、易爆等安全性问题。
优点
1）电压高
单体电池的工作电压高达3.7-3.8V（磷酸铁锂的是3.2V），是Ni-Cd、Ni-MH电池的3倍。
2）比能量大
能达到的实际比能量为555Wh/kg左右，即材料能达到150mAh/g以上的比容量（3--4倍于Ni-Cd，2--3倍于Ni-MH），已接近于其理论值的约88%。
3）循环寿命长
一般均可达到500次以上，甚至1000次以上，磷酸铁锂的可以达到2000次以上。
对于小电流放电的电器,电池的使用期限，将倍增电器的竞争力。
4）安全性能好
无公害，无记忆效应.作为Li-ion前身的锂电池，因金属锂易形成枝晶发生短路，缩减了其应用领域：Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素：部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但Li-ion根本不存在这方面的问题。
5）自放电小
室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni-MH的30-35%。
6)快速充电
1C充电30分钟容量可以达到标称容量的80%以上，磷铁电池可以达到10分钟充电到标称容量的90%。
7)工作温度
工作温度为-25~45°C，随着电解液和正极的改进，期望能扩宽到-40~70°C。
超级电容器工作原理
概述
超级电容器（supercapacitor,ultracapacitor），又叫双电层电容器(ElectricalDouble-LayerCapacitor)、电化学电容器(ElectrochemcialCapacitor,EC),黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。
超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。众所周知，插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差。那么，如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层。
它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，从而产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容器，但是，由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多，因而具有比普通电容器更大的容量。
双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大，因此，可在无负载电阻情况下直接充电，如果出现过电压充电的情况，双电层电容器将会开路而不致损坏器件，这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。同时，双电层电容器与可充电电池相比，可进行不限流充电，且充电次数可达10^6次以上，因此双电层电容不但具有电容的特性，同时也具有电池特性，是一种介于电池和电容之间的新型特殊元器件。
篇四:《锂离子电池原理介绍》锂离子电池原理介绍
摘要：锂离子电池具有其他化学电源不可比拟的特性，正迎来快速发展时期。锂离子电池主要由正极和负极构成，正极与负极之间由一层薄膜隔开，电池内部有电解液，随着充放电的进行，锂离子在正负极之间嵌入脱出。锂离子电池具有高能量密度、高电压、无污染，绿色环保、循环寿命长、负载能力高和安全性能优的特性。
关键词：锂离子电池正极负极锂离子
自日本索尼能源公司自20世纪90年代商品化锂离子电池以来，锂离子电池以其高比能量和高电压等优点而成为移动通讯、笔记本电脑等便携式电子产品的主要电源之一。由于锂离子电池具有工作电压高、体积小、重量轻、能量比高、循环寿命长、无记忆效应、自放电率低，可快速充电等优良性能，锂离子电池正在成为电动自行车和电动汽车电池的理想选择，迎来来了良好的发展契机。
一、锂离子电芯的构造原理
1.正极构造
LiCoO2（钴酸锂）+导电剂（乙炔黑）+粘合剂（PVDF）+集流体（铝箔）
2.负极构造
石墨+导电剂（乙炔黑）+增稠剂（CMC）+粘结剂（SBR）+集流体（铜箔）
电芯的正极是LiCoO2加导电剂和粘合剂，涂在铝箔上形成正极板，负极是层状石墨加导电剂及粘合剂涂在铜箔基带上，目前比较先进的负极层状石墨颗粒已采用纳米碳。根据上述的反应机理，正极采用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2和LiFePO4，其中LiCoO2本是一种层结构很稳定的晶型，但当从LiCoO2拿走锂离子XLi后，其结构可能发生变化，但是否发生变化取决于X的大小。通过深入研究，发现当X>0.5时，Li1-XCoO2的结构表现为极其不稳定，会发生晶型瘫塌，其外部表现为电芯的压倒终结。所以电芯在使用过程中应通过限制充电电压来控制Li1-XCoO2中的X值，一般充电电压不大于4.2V，那么X小于0.5，这时Li1-XCoO2的晶型仍是稳定的。负极C6其本身有自己的特点，当第一次化成后，正极LiCoO2中的Li被充到负极C6中，当放电时Li回到正极LiCoO2中，但化成之后必须有一部分Li留在负极C6中，以保证下次充放电Li的正常嵌入，为了保证有一部分Li留在负极C6中，一般通过限制放电下限电压来实现。所以锂电芯的安全充电上限电压≤4.2V，放电下限电压≥2.5V。
3.工作原理
锂离子电池内部成螺旋型结构，正极与负极之间由一层具有许多细微小孔的