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到底是什么限制了电池容量?对于这个问题,我们可以看到:电池容量=能量密度x电池容量。电池的大小自然想做什么就做,能量密度是关键。所以问题可以理解为:当前电池的能量密度为什么难以提高?这句话的简单答案是电池背后的化学物质限制了电池的能量密度,从Wiki上复制的各种能量载体的能量密度都是我们的手机,平板电脑,笔记本电脑,手表和著名的Tesla电池用于锂离子电池的左下角。然后请寻找汽油,柴油,丁烷,丙烷,天然气的位置。据估计大多数人会发现以下想法:1)电池技术太弱2)电池技术有前途一些更好的人对此进行思考3)燃料电池技术将是明天的明星。我的想法:以上是幻觉,幻觉。具有简单化学作用后的燃料的电池对评论(或流行)有所了解。我们一生中看到的大多数燃料和电池(例如能量载体)主要与化学氧化还原反应有关。能量载体参与特定化学过程的转化,但总是可以归纳为氧化还原反应。氧化还原反应氧化还原反应的实质是电子从还原剂转移到氧化剂。你感觉像电池吗?电池的负极是还原剂,而正极是氧化剂(不是特别准确)。电子从负极通过外部电路到达阴极,然后通过以下方式完成工作:灯泡,驾驶车辆,支持移动电话和计算机。由于电子是能量的来源,因此我们可以通过电子密度。在这里,我们假设电子的功率是一致的(这显然是错误的,实际上取决于氧化剂和还原剂的类型,但是如果仔细检查,对于普通电池和燃料,这不是主要因素)能量载体的电子密度取决于体积计算,主要取决于两个因素; 1。能量载体的体积密度。固体>液体>>>>>气体。这是一个很好的理解2。能量载体的电子转移率。如果化学忘记了,这很难理解。如果有一些印象,这也是一个很好的理解。原子的内部电子不参与化学反应,因此自然不会转移。只有外层会转移作品。电子转移率是反应中涉及的电子数与分子总数之比。通常,还原剂的外电子数目不是很多,但是内层的数目随着原子数的增加而增加。更重要的是,质子和中子增加后,原子数增加,这两者都是质量的主要来源。举几个例子:1)H2-2e = 2H +氢原子只有一个电子,全部参与反应,电子转移比为100%2)Li-e = Li +锂原子有3个电子,只有一个电子参与反应,电子转移比为1/3 = 33%3)Zn-2e = Zn2 + Zn原子有30个电子,只有两个参与反应,电子转移比例为2/30 = 6.7%对于大多数物质,电子转移比例非常低,原因已在前面提到。可以看出,只有周期表的前两行中的轻原子可能是良好的能量载体。前两个元素只有10个,氢氦铍锂硼,碳氮氧化物。氦和氖是惰性气体,不包括在内。氧和氟是氧化剂。在大多数情况下,氮气是准惰性气体,如果不是惰性气体或有毒的人被熏死,则排除在外。我们留下了五个元素:氢(100%),碳(66%),硼(60%),铍(50%),锂(33%),此外,如果我们将原子作为电池的负极。然后,可以通过转移的电子数和原子量来估算半电池的能量密度(质量单位)。从那时起,上述比率将更加不同。也以氢为基准:碳(4 / 12,33%)硼(3 / 10.8,28%)铍(2 / 9,22%)锂(1 / 7,14%)很容易发现这两个元素最适合能量载体是碳,氢和碳氢化合物,实际上是常见的汽油和柴油以及其他燃料。汽车选择这些高能量载体作为能源,已经是自然界中更好的解决方案。电池与各种碳氢化合物相比,可以说是天生不足的。二:电池的一大问题,将电解液倒出根据上面的解释,我们可以知道电池很难超过燃料密度。能量密度,但似乎可以达到燃油水平的一半至1/4的水平。但是,实际上,电池的能量密度通常小于燃料的1%。能量数据比较:汽油46.4MJ / Kg,锂43.1MJ / Kg,锂电池(无法充电)1.8MJ / Kg,锂离子电池0.36〜0.875MJ / Kg实际上是能量密度汽油和锂的确少得多。主要原因是碳到氧的电子转移作用不够大(共价键可以不同),而是从锂到锂电池。然后到锂离子电池,发生在什么中间?原因很明显。里面的锂或锂离子电池不仅是金属锂,还有其他平行进口的东西,我发现了这样一个公式来估算电池内部的锂含量。 http://www.ponytest.com/document/battery.pdfM = 0.3 * Ah。用话语来说,电池容量(安全性)乘以30%就可以计算出电池的锂含量(g)。对于著名的18650(手机笔记本特斯拉)电池,其重量在42g左右,标称容量为2200mAh大约,所以它的锂含量为2200/1000 * 0.3 = 0.66g约为总重量的1.5%。这样我们只能升级电池的锂含量,才能提高能量密度!真的很简单。我们首先看一下锂电池,除了锂和啥。不要走!我听不懂你能听的。通常,电池的四个组成部分至关重要:正极(放电是阴极),负极(放电是阳极),电解质,隔膜。正负是发生化学反应的地方,重要位置可以理解。但是电解质的用途是什么?不工作仍然很重。再看地图,该图说明电池的充放电过程非常好。这里首先说的只有放电:电池内部,金属锂在负电子中的损失被氧化成锂离子,通过电解质向正极转移;正极材料被电子还原后,被正极锂离子中和。电解质的理想作用是仅运输和携带锂离子。在电池外部,电子从负极通过外部电路传递到正极,在中间工作。理想情况下,电解质应为锂离子的良好载体,但不得为良好的电子载体。因此,在没有外部电路的情况下,电子无法从电池内部的负极转移到阴极。只有存在外部电路,才能进行电子转移。“您并不是在说”能量载体参与改变特定化学过程的过程,但总归结为氧化还原反应。 ““氧化还原反应的本质是电子从还原剂转移到氧化剂。”汽油车没有电解质。但是汽油有电子燃烧使其燃烧,是不能供电的?是的,燃烧必须涉及电子转移,那么燃烧的电子转移与电池的电子转移从根本上不同?燃烧电子传递在微观范畴内是完全无序的。我们无法预测燃料和氧分子将在下一刻的方向移动的位置,我们不知道燃料在电子方向上将被转移至哪个氧分子。分子随机运动10×20-23次,并随机转移更多电子,这导致无序释放能量或放热的结果。尽管我们仍然不知道每个分子在电池轨迹内的运动,但是我们至少可以知道:金属锂只会失去阳极材料的表面而变成锂离子;锂离子从负极开始,最终到达阴极。电子仅从阳极材料的表面移向高电势的正电势。 10 ^ 20-23倍于共同运动的电子,在宏中我们将其称为电流。总结起来,为了放电,为了进行电子传递,电池必须携带任何能量,而必需的电解质和多种辅助材料,因此进一步降低了它们的能量密度。这样完成了吗?坦白说,这部分只是人行道。三:电池的大问题,负极材料的负极大家好,我回来了。如果您能坚持阅读这里已经读过的每一行,恭喜,您对电池的理解已经处于一个水平。现在,请查看上一节的内容。什么?所有被遗忘的?一言不发?由于没有工作但必需的电解质和其他辅助材料的存在,电池的能量密度被稀释了。这些多余的重量到底有多少?电解质的重量通常占电池总重量的15%(找不到链接)。估计是把外壳,外部电极和其他辅助材料都算在内的,总重量不应超过电池总重量的50%。不是啊,虽然电池中掺有“水”,但也没有那么多水啊。市场上的锂离子电池能量密度也约为1%锂。发生了什么?为什么这句话如此熟悉?多喝些新鲜的橙子,让我们看一下最常见的锂钴氧化物(Tesla Roadster)的电化学反应。实际上,只有一部分锂和钴转移,其他元素不参与电子然后我们做一个小小的计算:元素锂原子量为6.9,可以促进电子参与电子转移。氧化剂来自空气,不需要考虑。与锂钴氧化物电池反应的反应物的总分子量为98 + 72 = 170,但只有一半的电子参与了电子转移。因为只有一部分锂原子会发生反应,如果我们认为两个电子的功相同,那么可以估算出这两个能量载体的能量密度之比电池能量密度:燃料能量密度=(0.5 / 170 )/(1 / 6.9)= 2.03%电池已完成。考虑到电池是辅助材料重量的一半,我还没有计算在内。因此必须打折。剩下的1%.So的能量密度也变得如此:锂43.1MJ / Kg锂离子电池0.36〜0.875MJ / Kg哈哈哈哈哈哈哈……还跟上吗?这四个操作比较简单啊。现在知道发生了什么,对不对?现在您了解我为什么要说:电池背后的化学物质限制了电池的能量密度。接下来的问题是:为什么电池的化学反应如此复杂,直接降低了电池的能量密度。更复杂的是,据估计大多数人没有耐心阅读。因此,请给出一个简单的答案:为了有秩序。那么,没有耐心,您可以走了。以下内容真的很长,无法阅读普通人。图片发布前先开始:其余的学生,是不是对地图非常熟悉?其实是锂电池的示意图,但这一次是因为正极的阳极表面结构得以显示。您认为规则很整齐啊?整洁的规则有序地更改顺序。为什么需要对表面结构的正极进行排序?因为有必要确保在充电/放电过程中氧化还原反应仅发生在正电极和负电极的表面,所以有电流。我们看一下石墨(C6)的负极。负极的任务非常简单,以确保锂原子(而非离子)的放电在电子的负表面上丢失,给电子充电,然后将其捕获。由于充电时阳极电压低,带正电的锂离子自发地向负极移动,电子返回锂原子,似乎没有石墨物质啊?如果是一次性电池,则不需要石墨。但是如果是对电池进行充电和放电,则阳极表面的材料不是石墨就会被其他物质所吸引。不要抛弃孩子,很快就结束了编者注The Hills这是很多想法。充电时,电子负极表面的锂离子变成锂原子。然后?众所周知,所有金属都是良好的电子导体,锂是金属,因此锂是良好的电子导体。因此,第一个到负极的锂原子成为负极的一部分,然后回到负极的锂离子又加入了前者的锂行列。 TheTheSo出现了完全由锂原子组成的晶体。这个过程也叫水晶。结果是锂晶体会刺破隔膜到正极,所以电池短路就报废了,对于这种现象的结晶我们可以理解。在充电过程中,我们控制锂离子实际上很弱。我们只能保证锂离子会移动到负极表面,但不能保证锂离子会均匀地分布在负极表面。因此,在没有外部约束的情况下,锂晶体将在带电的负极表面无限期生长,形成树枝状晶体(树枝状晶体),因此必须存在约束条件。挖一个坑让锂离子进入内部,这个坑的具体性能是石墨材料的阴极表面。如上图所示,石墨层之间的间隙足够大,可以容纳一个锂原子,但只能容纳一个锂原子。然后石墨层与锂原子之间的物理吸附可以保持锂原子,在没有外部电压的情况下负极表面也可以放心。因此,锂原子不会残酷地生长。但是能量密度没有上升。四:电池的大问题三,正极表面材料为了使锂原子在每次充电时均能均匀地均匀分布在负极表面,负极表面需要凝固的结构来约束(有序地减少熵)锂原子的分布。这种设计在很大程度上稀释了电池的能量密度。正极实际上也有同样的问题。为了使锂离子在每次放电时均匀且均匀地分布在正极表面上,正极表面需要一层凝固的结构来约束(有序地减少熵)锂离子的分布。这种设计在很大程度上稀释了电池的能量密度,但不仅如此,这是图中电池正极材料的充放电结构的变化。其中M代表金属原子,X代表氧原子。这个数字的各个原子的大小并不重要。锂离子比其他两个要小得多。我们可以看到,MX2在正极基质上形成了几层非常结构化(非常有序)的结构,放电后,电子在正极(正极)聚集,锂离子移动到正极,散布到MX2结构的间隙中,从而在正极表面有序分布。 MX2中的金属离子被电子还原,从而起氧化剂的作用。一旦这种结构崩溃,就不可能对其进行回复了,怎么办?就此而言,将其停在电池阴极中就足够了,也就是说,正极表面必须保持一定量的锂离子以保持结构的完整性。该数量通常为50%。这就是为什么先前的反应中x的数量未知的原因。即使在充满电的状态下,也有将近一半的锂离子保留在正极表面。因此,能量密度较低。题外话:这就是为什么锂电池担心过度充电,一旦过度充电,锂离子的正极就会运转,这堆木头就会倒塌。第五:大问题在电池四,拉伸材料的选择等方面,我认为这里的人们充分意识到了充电电池设计的局限性。为了有序地进行电子转移,为了有序地分布锂离子和锂原子,电池需要电解质和各种辅助材料,需要在阴极阳极表面上形成规则的结构,这是以能量密度为代价的。现在回到我的论点:1)电池技术太弱:这些设计多么巧妙,显然是人类智慧的结晶。2)电池技术前景看好:对于未来的前景,我们必须抱有现实的态度。电池技术已经发展了100多年,长期以来一直处于爆发期。支持电池技术发展的理化理论,其伟大的发展大战的突破已经结束。可预见的未来电池技术,必须立足于电池的当前发展。在民用领域,电池的能量密度是最麻烦的问题之一,但也是最难解决的问题。过去的电池能量密度一直可以继续提高,因为科学家一直在寻找原子量较小的元素,以用作氧化剂,还原剂和支撑结构。因此我们见证了从铅酸到镍镉,从镍镉到镍氢,从镍氢到目前的锂离子可充电电池的开发过程,但后来呢?还原剂:我在开始时说过。高比例的电子转移到以下几种元素上:氢,碳,硼,铍,锂。仅锂适合作为可充电电池还原剂。氢,碳仅出现在燃料电池中。硼,铍不是主要的研究方向,不知道这是为什么。氧化剂:如果不使用过渡金属,那么选择的是第二族的第三族主要元素。卤素不够,则剩下氧气和硫。现实情况是,锂空气电池(氧化锂)和锂硫电池有很多人要研究,但进展并不乐观。为什么?因为电池表面结构是一个大问题,纳米技术现在正在取得很大进展吗?科学家们肯定将能够使用各种纳米线的纳米管,纳米球,纳米碗的石墨烯设计出精细而有序的表面结构。那些实验室将彼此分开会发布一些大新闻啊。但是有两个问题,不妨考虑一下。1)石墨一直是锂电池负极材料的选择,实际上如果仅考虑能源因此,金属锡更适合作为负极材料。但到目前为止,索尼还推出了锡电极电池(Sony nexelion 14430W1)为什么会这样?2)除钴酸锂外,目前其他锂电池正极材料还为三元化合物Li(NiCoMn)O2磷酸铁锂(LiFePO4 )但是,由于压实密度的原因,使用这些材料的电池的容量不如钴锂电池。人们为什么要努力学习?的
资料来源:Meeyou Carbide

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