究竟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电池体积。电池的大小自然要怎么做,能量密度是关键。所以问题可以理解为:目前的电池能量密度为什么很难提高?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转载的各种能量载体的能量密度。我们的手机、平板电脑、笔记本电脑、手表,以及著名的特斯拉电池用在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。估计大部分人会发现以下想法:1)电池技术太弱2)电池技术有前途一些比较好的人认为它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。一个.燃料电池与燃料背后的简单化学做一点小知识回顾(或通俗)。我们生活中看到的燃料和电池,这种能量载体,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,但总能概括为氧化还原反应。氧化还原反应的本质是电子从还原剂转移到氧化剂。你觉得像电池吗?电池的负极是还原剂,正极是氧化剂(不是特别准确)。电子从负极通过外电路到达阴极,然后顺便做功:灯泡、驱动车辆、支撑手机和电脑。既然电子是能量的来源,那么我们可以通过电子密度。这里我们假设电子能做的功率是一致的(这显然是错误的,实际上取决于氧化剂和还原剂的类型,但仔细检查,对于普通的电池和燃料,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,这是很难理解的;如果有一些印象,这也是一个很好的理解。原子内部的电子不参与化学反应,自然不会转移。只有外层会转移工作。电子转移比是参与反应的电子数与分子总数的比值。一般来说,还原剂的外层电子数并没有那么多,而是内层数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,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,都参与反应,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,只有两种参与反应,电子转移比例为2/30 = 6.7%,对于大多数物质来说,电子转移的比例很低,原因前面提到过。可以看出,只有元素周期表前两行中的轻原子很可能是良好的能量载体。前两个元素只有10,氢氦锂铍硼,氮氧化碳。其中氦和氖是惰性气体,排除。氧和氟是氧化剂。氮气在大多数情况下是准惰性气体,如果不是惰性气体或有毒的人要么被熏死,要么被排除在外。我们留下了五个元素,氢(100%)、碳(66%)、硼(60%)、铍(50%)、锂(33%)。另外,如果我们把一个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计半电池的能量密度(质量单位)。此后,上述比例将更加悬殊。同样以氢为基准:碳(4 / 12,33%) 硼(3 / 10.8,28%) 铍(2 / 9,22%) 锂(1 / 7,14%) 不难发现最适合的两种元素能源载体是碳和氢,以及碳氢化合物,它们实际上是常见的汽油和柴油燃料以及其他燃料。汽车选用这些高能载体作为能源,已经是一种较好的解决方案。与多种碳氢化合物的电池相比,可以说是先天不足。二:电池的大问题之一,把电解液拿出来根据上面的解释,我们可以知道电池的燃料密度很难超过能量密度,但似乎能达到燃料水平的一半到1/4的水平。然而,实际上电池的能量密度往往低于燃料的 1%。不信数据。能量密度对比:汽油46.4MJ/Kg,锂电池43.1MJ/Kg,锂电池(不能充电)1.8MJ/Kg,锂离子电池0.36~0.875MJ/Kg,其实能量密度汽油和锂真的少得多。主要原因是碳到氧的电子转移功不够大(共价键可以不同)而是从锂电池到锂电池。然后到了锂离子电池,这中间发生了什么?原因很明显。里面的锂或者锂离子电池不只是金属锂,还有其他的水货。我找到了这样一个公式来估算电池里面的锂含量。 http://www.ponytest.com/document/battery.pdfM=0.3*啊。用话说,电池容量(安全性)乘以30%就可以计算出电池的锂含量(g) 众所周知的18650(手机笔记本特斯拉)电池,它的重量在42g左右,标称容量2200mAh左右,所以它的锂含量2200/1000 * 0.3 = 0.66g 大约是总重量的1.5%。所以啊!以至于我们只有提升电池的锂含量才能提高能量密度!真的很简单。我们先来看看锂电池除了锂还有什么啥。别走!我听不懂你可以听。一般来说,电池的四个组成部分是至关重要的:正极(放电为正极)、负极(放电为负极)、电解液、隔膜。正负极是发生化学反应的地方,重要的位置可以理解。但是电解质有什么用呢?不工作的重量仍然很重。然后看图。图中显示电池的充放电过程非常好。这里先说只放电:电池内部,金属锂损失的负电子被氧化成锂离子,通过电解液向正极转移;正极材料被电子被还原,被正锂离子中和。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向正极转移,中间做功。理想情况下,电解质应该是锂离子的良好载体,但不能是良好的电子载体。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正极;只有外部电路的存在,才能进行电子传递。“你不是说”能量载体参与了特定化学过程的变化过程,但总归结为一个氧化还原反应。 ”“氧化还原反应的本质是电子从还原剂转移到氧化剂,”汽油车没有电解液,但是汽油燃烧有电子燃烧,你们不能动力吗?是的,燃烧必然涉及电子转移,那么燃烧电子转移和电池的电子转移根本不同在哪里?是有序的吗?燃烧电子转移在微观范畴是完全无序的。我们无法预测燃料和氧分子下一刻会朝哪个方向移动,我们也不知道燃料上的电子会朝哪个方向转移。 10×20-23次的分子随机运动伴随着更多电子的随机转移导致无序能量释放的结果,或者简单地说,放热。电池比观点好。虽然我们仍然不知道电池内部每个分子的运动轨迹,但我们至少可以知道:金属锂只会失去负极材料的表面变成锂离子;锂离子从负极出发,最终到达正极。电子仅从阳极材料表面向高电位的正电位移动。 10 ^ 20-23 倍于协同运动的电子,在宏观上我们称之为电流。总结一下,为了放电,为了有序的电子传递,电池必须不携带能量,但必须携带电解质和各种辅助材料,所以进一步降低它们的能量密度。这就结束了吗?没有。老实说这部分只是铺垫而已。三:电池的大问题,负极面材大家好,我回来了已经上了一个层次。现在复习上一节的内容。什么?被遗忘的一切?不是一个字?电池的能量密度被稀释了,因为没有功但必需的电解质和其他辅助材料的存在。这些额外的重量到底有多少?电解液的重量一般占电池总重量的15%(链接找不到)。估计外壳、外电极等辅助材料算上,总重量应该不会超过电池总重量的50%。不是啊,虽然电池中混入了“水”,但也没那么多水啊.市场上的锂离子电池能量密度也在1%锂左右。发生了什么?这句话怎么这么眼熟?多喝点鲜橙,让我们看看最常见的钴酸锂(Tesla Roadster)电化学反应。其实只是锂和钴的一部分转移,其他元素不参与电子转移。那我们做个小计算:元素锂原子量为6.9,可以促成一个电子参与电子转移。氧化剂来自空气,不需要考虑。与钴酸锂电池反应的反应物总分子量为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比。电池能量密度:燃料能量密度=(0.5 /170 )/(1/6.9) = 2.03% 电池是完整的。考虑到电池有一半的辅助材料重量,我没有算过。所以必须打折。剩下的1%。所以能量密度变成了这样:锂电池43.1MJ/Kg锂离子电池0.36~0.875MJ/KgHa哈哈哈哈哈哈……还跟得上吗?这四个操作更简单啊。现在知道发生了什么了吧?现在你明白我为什么说:电池背后的化学作用限制了电池的能量密度。接下来我们的问题是:为什么电池的化学反应要这么复杂,直接降低了电池的能量密度。这个问题将再复杂一点,估计大部分人都没有耐心看完。所以给出一个简单的答案:为了有序。好吧,没有耐心,你可以去。下面真的很长,一般人看不懂。在放图前开始:剩下的同学,是不是很熟悉这张图?其实锂电池图,只不过这次因为阴极阳极表面结构而被展示出来。你觉得他们的规矩很整齐啊? Neat规则改变顺序,有序。为什么表面结构的正极需要有序?因为要保证充/放电时氧化还原反应只发生在正负极表面,这样才有电流。我们看石墨(C6)在哪里负极。负极的任务很简单,保证放电的锂原子(不是离子)丢失在电子的负极表面,给它们充电,然后又把它抓回来。由于充电时负极电压低,带正电的锂离子自发地向负极移动,电子又回到锂原子上。好像没有石墨的东西啊?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放电,阳极表面的材料不是石墨会是其他物质。别卖掉了孩子,很快就结束了 编者注 TheHills 想了很多。充电时,电子负极表面的锂离子变成锂原子。接着?我们都知道所有金属都是良好的电子导体,锂是金属,所以锂是良好的电子导体。所以先把负极的锂原子变成负极的一部分,再回到负极的锂离子加入到前锂的行列中。出现了完全由锂原子组成的晶体。这个过程,也称为水晶。结果就是锂结晶会刺穿隔膜到正极,所以电池短路报废。对于结晶这种现象,我们可以这么理解。在充电过程中,我们对锂离子的控制其实是很弱的.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分布在负极表面。因此,在没有外部约束的情况下,锂晶体会在带电的负极表面无限生长,形成枝晶(dendritic crystal)。所以必须有一个约束。挖一个坑让里面的锂离子跳跃。这个坑的具体表现是石墨材料的阴极表面。如上图所示,石墨层之间的间隙大到可以容纳单个锂原子,但只能容纳单个锂原子;然后石墨层与锂原子之间的物理吸附可以吸附锂原子,在没有外加电压的情况下也可以放心地当负极表面。所以,锂原子不会被野蛮生长。但是能量密度上不去。四:电池的大问题三、正极表面材料为了让锂原子在每次充电时都能均匀均匀的分布在负极表面,负极表面需要固化结构来约束(有序,降低熵)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。正极其实也有同样的问题。为了让锂离子在每次放电时均匀均匀地分布在正极表面,正极表面需要一层固化结构来约束(有序,降低熵)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。但不止于此,这是图中电池正极材料充放电结构的变化。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不要当真。锂离子比其他两个小很多。我们可以看到MX2在正极基板上形成了几层非常结构化(非常有序)的结构,放电时,电子在正极(正极)聚集,锂离子移动向正极,穿插到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,从而起到氧化剂的作用。一旦这个结构坍塌,就无法回复了。怎么办?就这一点而言,停在电池正极就足够了,即正极表面必须保持一定量的锂离子,才能保持结构的完整性。这个数量,通常是 50%。这就是为什么前面的反应会有未知数量的 x。即使在充满电的状态下,也有近一半的锂离子停留在正极表面。所以能量密度更低。题外话:这就是为什么锂电池怕过充,一旦过充,锂离子的阴极跑,这堆木头就会塌。五:大问题电池之四,拉伸材料的选择等我想这里的人都清楚充电电池的设计限制。为了电子的有序转移,为了锂离子和锂原子的有序分布,电池需要电解质和各种辅助材料,阴极阳极表面需要有规则的结构,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)电池技术前景广阔:对于未来的展望,我们必须有一个现实的态度。电池技术已经发展了100多年,长期处于爆发期;支持电池技术发展的物理化学理论,他们的大发展,二战的大突破已经结束。可预见的未来电池技术,必须立足于当前电池的发展。在民用领域,电池的能量密度是最头疼的问题之一,但却是最难解决的问题。过去的电池能量密度之所以能够不断提高,是因为科学家一直在寻找原子量更小的元素充当氧化剂、还原剂和支撑结构。所以我们见证了从铅酸到镍镉,从镍镉到镍氢,从镍氢到现在的锂离子充电电池的发展过程,但是后来呢? 还原剂:我一开始就说了。电子转移比例高的元素有几种:氢、碳、硼、铍、锂。其中适合作为充电电池还原剂的只有锂。氢、碳只出现在燃料电池中。硼、铍不是主要研究方向,不知道为什么会这样。卤素不够,则剩下氧和硫。现实情况是,锂空气电池(氧化锂)和锂硫电池有很多人研究,但进展并不乐观。为什么?因为电池表面结构是个大问题。纳米技术现在进步很大吗?科学家们一定能够利用各种纳米线、纳米管、纳米球、石墨烯纳米碗设计出精细有序的表面结构。那些实验室分开会放出几个大新闻啊。但是有两个问题,不妨思考一下。1)石墨一直是锂电池负极材料的选择,其实如果只考虑能量密度,则金属锡更适合作为负极材料。但是到目前为止sony也推出了锡电极电池(Sony nexelion 14430W1)为什么会这样?2)除了钴酸锂,目前的其他锂电池正极材料也是三元化合物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。人为什么要努力学习?这
资料来源:Meeyou Carbide

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