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锂离子(Li)二次电池研发解决方案

20世纪90年代问世的锂离子(Li离子)电池已经取代镍铬电池(NiCd),成为发展速度最快、应用最广泛的充电电池之一,用于智能手机、笔记本电脑、平板电脑、游戏机、无线电钻等各种便携式电子设备,最近锂离子电池甚至用到电动汽车中。尽管锂离子电池拥有能量密度高、工作电压高、记忆效应极小以及充电迅速等理想特性,但它始终存在电池性能会逐渐下降的缺点,以及与此相关的稳定性和安全风险持续聚焦的问题。面对这些挑战,电池制造商们,可以求助沃特世的一系列系统解决方案,例如加速降解试验,除了研究降解机理之外可开展其它分析,尤其是针对电解液。

电池分类

电池可分为三类:

  1. 电化学电池,较为常用;

  2. 物理电池,例如通过半导体将光能直接转化为电能的太阳能电池;

  3. 生物电池,包括利用酶或微生物的酶电池

一次性电池是电化学电池的分支,包括锰电池、碱性电池、汞电池,应用非常普遍,而锂离子(Li)电池属于二次电池。一次性电池只能一次性使用,而二次电池又称可充电电池,可以反复充电使用。使用最为广泛的二次电池是汽车常用的铅酸蓄电池。此外,还有一种可充电的干电池 – 镍镉(NiCd)电池,如今二次电池正朝着镍氢(NiMH)电池和锂离子二次电池的方向发展,这两种电池被认为更加安全、环保。

锂离子二次电池的特点

在二次电池中,铅酸蓄电池已有将近百年的使用历史,被广泛用于汽车、不间断电源(UPS)等领域。从单位电容量的成本角度来看,铅酸蓄电池比其它任何二次电池都低,并且能够大电流放电。但铅酸蓄电池也存在诸多缺点,例如占用的安装空间大(电池体积大)、重量较重、耐低温性能差。

镍镉电池、镍氢电池和锂离子二次电池各有所长,而锂离子二次电池则成为未来电池的发展方向。镍镉电池是一种可以大电流放电的二次电池,被应用于剃须刀、电钻等电动工具中。但是,人们认为镉是一种环境污染物,因此镍镉电池饱受诟病,欧洲已强制回收和禁用市售镍镉电池。

相较于镍氢和锂离子二次电池,镍镉电池的使用并不广泛,原因是其单位电容量的重量较重,并且存在记忆效应问题。20世纪90年代,锂离子电池一经问世便凭借其单位重量的电容量优势迅速被市场认可,成为快速增长的手机和笔记本电脑产品的首选解决方案。此外,锂离子电池的一大特点是反复少量充/放电循环不会影响其放电容量(记忆效应),因此可反复充电。

  • 能量密度高

    o 相较于同体积的镍镉电池和镍氢电池

    o 单位重量的能量密度:2–5

    o 单位体积的能量密度:1.5-3

  • 工作电压高

    o 工作电压约为镍镉电池和镍氢电池的3倍。

    o 串联电池的数量可减少为原来的1/3

    o 便于减小使用该电池的设备体积和重量。

  • 无记忆效应

    o 可反复充电。

  • 环保、安全

    o 不使用镉、铅和汞等不利于环境安全的管制物质

    o 耐过度充电

    o 热稳定性良好

  • 可快速充电并且具有良好的充放电循环特性

锂离子二次电池的工作原理

锂离子二次电池的组成

电解液降解机理分析示例

使用Xevo G2-XS Tof对充放电循环后电极表面附着的有机材料以及电解液中的产物进行结构解析。

参考文献:Journal of the Electrochemical Society, 151(8) A1202-A1209 (2004), “Identification of Li-based Electrolyte Degradation Products Through DEI and ESI High-resolution Mass Spectrometry,” S.Laruelle, S.Pilard, P.Grugeon, S.Grugeon, and J.-M.Tarascon

加速降解试验和降解机理分析 在某些研究中,我们需要分析变异因子,包括新材料和新物质的性能变异性和稳定性评价。通过分析降解样品中的杂质结构获得的信息能够阐释劣化过程(例如主要组分的降解及聚合),进而作为选择有效稳定添加剂的标准。使用Progenesis QIOPLS模型)的多变量分析功能对降解前后的样品做对比分析是一种有效手段。该方法能够从海量的化合物相关信息中轻松识别并分离出差异因子。

在加速降解/老化研究的降解机理分析工作流程以及降解机理分析中,使用UPLC/飞行时间质谱仪分析加速劣化前后的样品(n ≥ 3),通过全面检测得到的组分信息(保留时间、精确质量数和峰面积)将自动汇总到表格中。OPLS模型分析组分信息之后,将给出S-Plot。通过该S-Plot,分析人员能够轻松、直观地找出降解前后含量增加或减少的组分,而且S-Plot中的各曲线图都对应根据精确质量数和保留时间鉴定出的组分(峰)。带有红色标记的两条曲线所指示的是降解前后变化最大的组分。单击这些曲线,系统将显示趋势图,以便分析人员确认组分在降解前后的增减。这两种组分在劣化过程中似乎存在某种关联,例如氧化、还原、降解和聚合等。

电解液降解机理分析的系统解决方案

UPLC/Xevo G2-XS QTof(UPLC/四极杆、飞行时间质谱仪)

  • 基于IntelliStart的自动校准

  • 基于LockSpray精准测定精确质量数

  • 基于i-Fit的精确元素组成分析

  • 非常适用于超高效液相色谱(UPLC)

  • 适用于ESCi、APCI/APPI、ASAP、APGC

UPLC/四极杆、IMS、飞行时间质谱仪)UPLC/SYNAPT G2-Si

  • 具备离子淌度分离功能

  • 采用TAP碎裂(碎片离子归属)

  • 基于IntelliStart的自动校准

  • 基于LockSpray精准测定精确质量数

  • 基于i-Fit的精确元素组成分析

  • 非常适用于超高效液相色谱(UPLC)

  • 适用于ESCi、APCI/APPI、ASAP、APGCMALDI

锂离子二次电池的充/放电原理就是充/放电过程中锂离子透过隔板在阴极和阳极材料间移动。各种形式的阴极和阳极材料基本上始终带电。

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