现在在锂离子电池中也发现了记忆效应

锂离子电池是许多商用电子设备中使用的高性能能量存储设备。当然,它们可以以相对较小的体积存储大量能量。先前也广泛认为它们不显示记忆效应。这就是专家称电池工作电压因不完全充电或放电而引…

匿名用户 2021年1月10日 pm8:53 阅读 12

锂离子电池是许多商用电子设备中使用的高性能能量存储设备。当然,它们可以以相对较小的体积存储大量能量。先前也广泛认为它们不显示记忆效应。这就是专家称电池工作电压因不完全充电或放电而引起的偏差,这种偏差可能导致仅一部分存储能量可用,并且无法可靠地确定电池的充电水平。但是,Paul Scherrer Institute PSI的科学家与日本丰田研究实验室的同事们现已发现,一种广泛使用的锂离子电池具有记忆效应。这一发现与在电动汽车市场上使用锂离子电池的进展特别相关。这项工作今天在科学杂志上发表自然材料

锂离子电池高容量正极材料-赵金保教授课题组网站

我们的许多日常设备得到他们的能源供应来自电池,而不是总是被称为“聪明”,因为他们在广告中描述,往往都配备了一种记忆。例如,在电池用完之前给电池供电的剃须刀电动牙刷充电,以后可以对谨慎的用户进行报复。电池似乎记住您只用了部分存储容量–最终不再提供其全部能量。专家将其称为“记忆效应”,这是由于电池的工作电压由于不完全的充放电循环而随着时间的推移而下降的缘故。这意味着尽管电池仍在放电,但它提供的电压有时仍然太低,无法驱动相关设备。因此,记忆效应有两个负面影响:首先,减小了电池的可用容量,其次,电压和充电状态之间的相关性发生了变化,因此不能基于电压可靠地确定后者。长期以来,镍镉和镍金属氢化物电池都存在记忆效应。自从1990年代锂离子电池开始成功销售以来,这种电池就没有记忆效应了。正如这项新研究表明的那样,这是错误的。

电动和混合动力汽车记忆效应的后果

对于锂离子电池中用作正极的最常见材料之一,磷酸铁锂(LiFePO4),现已确认了其记忆效应及其相关的异常工作电压偏差。对于磷酸铁锂,在大的充电状态下电压实际上保持不变。这意味着即使是很小的工作电压异常也可能会被误解为充电状态的重大变化。或者换一种说法:当根据电压确定充电状态时,由于电压的较小偏差会导致较大的误差。对于在电动汽车领域使用锂离子电池的预期步骤,记忆效应的存在尤其重要。特别是在混合动力汽车中 在其正常运行期间发生的许多充电/放电循环中,可能会产生这种影响。在这种车辆中,在每次制动操作期间,通过以发电机模式运行的发动机对电池进行部分充电。在加速阶段,它又被排出,通常只是部分排出,以协助发动机。这项新的研究表明,局部充电和放电的无数次连续循环会导致个别的小记忆效应,再加上大的记忆效应。在通过软件基于电压的当前值来计算充电状态的情况下,这导致电池的当前充电状态的估计中的误差。在每次制动操作期间,以发电机模式运行的发动机会为电池部分充电。在加速阶段,它又被排出,通常只是部分排出,以协助发动机。这项新的研究表明,局部充电和放电的无数次连续循环会导致个别的小记忆效应,再加上大的记忆效应。在通过软件基于电压的当前值来计算充电状态的情况下,这导致电池的当前充电状态的估计中的误差。在每次制动操作期间,以发电机模式运行的发动机会为电池部分充电。在加速阶段,它又被排出,通常只是部分排出,以协助发动机。这项新的研究表明,局部充电和放电的无数次连续循环会导致个别的小记忆效应,再加上大的记忆效应。在通过软件基于电压的当前值来计算充电状态的情况下,这导致电池的当前充电状态的估计中的误差。这项新的研究表明,局部充电和放电的无数次连续循环会导致个别的小记忆效应,再加上大的记忆效应。在通过软件基于电压的当前值来计算充电状态的情况下,这导致电池的当前充电状态的估计中的误差。这项新的研究表明,局部充电和放电的无数次连续循环会导致个别的小记忆效应,再加上大的记忆效应。在通过软件基于电压的当前值来计算充电状态的情况下,这导致电池的当前充电状态的估计中的误差。

研究人员发现,充放电过程背后的微观机制是目前锂离子电池中记忆效应的最终原因。电极材料-在这种情况下为磷酸锂铁(LiFePO4)-由大量微米级的细小颗粒组成,这些颗粒一个接一个地充电和放电。研究人员将此充放电模型称为“许多粒子模型”。充电逐个颗粒进行,并涉及锂离子的释放。因此,充满电的颗粒不含锂,仅包含磷酸铁(FePO4)。放电又涉及将锂原子重新结合到电极颗粒中,从而使磷酸铁(FePO4)再次变成锂-磷酸铁(LiFePO4)。与充电和放电相关的锂量的变化引起各个颗粒化学势的变化,这反过来又改变了电池的电压。但是,充电和放电不是线性过程。在充电过程中,随着锂离子的逐步释放,化学势最初会增加。但是随后,颗粒达到了临界的锂含量值(和化学势)。此时,出现一个突然的转变:粒子非常快地释放出剩余的锂离子,但不允许改变其化学势。这是解释为什么电池电压在大范围内(电压平稳期)实际上保持不变的原因。随着锂离子的逐步释放,化学势最初会增加。但是随后,颗粒达到了临界的锂含量值(和化学势)。此时,出现一个突然的转变:粒子非常快地释放出剩余的锂离子,但不允许改变其化学势。这是解释为什么电池电压在大范围内(电压平稳期)实际上保持不变的原因。随着锂离子的逐步释放,化学势最初会增加。但是随后,颗粒达到了临界的锂含量值(和化学势)。在这一点上,有一个突然的转变:粒子非常快地释放出剩余的锂离子,但不允许改变其化学势。这是解释为什么电池电压在大范围内(电压平稳期)实际上保持不变的原因。

在电池充电和放电之间经过的时间在这些过程结束时确定电池状态方面起着重要作用。充电和放电是改变电池的热力学平衡的过程,并且该平衡可以在一段时间后实现。科学家发现,闲置足够长的时间可以用来消除记忆效应。但是,根据许多粒子模型,这仅在某些条件下发生。只有在部分充电然后完全放电的周期后等待足够长的时间,记忆效应才会消失。在这种情况下,两个粒子组在完全放电后仍会分开,但位于势垒的同一侧。因此,分离消失了,因为颗粒达到了平衡状态,其中所有锂含量相同。但是,记忆效应仍然存在,只要您在部分充电后且未完全放电之前等待。此处,粒子位于势垒的相对两侧,这防止了将其划分为“富锂”和“贫锂”的反向过程。


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