綜述:高溫鋰離子電池的最新進展:材料、性能、創新及未來挑戰
《Journal of Energy Chemistry》:Recent developments in elevated-temperature lithium-ion batteries: materials, performance, innovations, and future challenges
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時間:2026年03月01日
來源:Journal of Energy Chemistry 14.9
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該綜述系統分析了高溫下鋰離子電池的挑戰,探討電解質設計、添加劑優化和熱管理策略,指出未來需突破材料穩定性和界面反應難題,以提升電池在極端溫度下的性能。
Mehdi Shanbedi | Hossein Shahali | Andreas A. Polycarpou | Ahmad Amiri
機械工程系,塔爾薩大學,塔爾薩,俄克拉荷馬州,74104,美國
摘要
隨著鋰離子電池(LIBs)在電動汽車(EVs)、航空航天系統和工業儲能等高要求應用中的日益普及,其在高溫條件下的性能已成為一個關鍵問題。本文綜述了電解質設計和溶劑化結構的最新進展,旨在提高LIBs在高溫下的熱穩定性和電化學性能。文章對各種電解質進行了分類和評估,包括液態電解質(碳酸鹽、醚類、酯類和離子液體)、固態電解質(氧化物、硫化物和聚合物)以及混合配方。文章重點分析了溫度對離子導電性、熱降解、電化學行為和表面鈍化的影響。特別關注了功能性添加劑的使用、替代溶劑系統、能夠減緩熱降解的工程材料以及先進熱管理策略的整合。最后,本文指出了當前存在的挑戰,并概述了提高下一代LIBs壽命、安全性和高溫(定義為50-60°C以上)耐受性的關鍵研究方向。強調了創新材料設計和系統級方法在極端熱環境中實現電池穩健性能的重要性。
術語表
命名法
| E | 電池的電極電位(電壓)
| E° | 標準電極電位
| F | 法拉第常數
| n | 電子數
| [Ox] | 氧化物的濃度
R 氣體常數
| Rct 電荷轉移電阻 |
| RSEI 固態電解質界面電阻 |
| [Red] | 還原物的濃度
| T | 溫度(K)
| Tg 玻璃化轉變溫度(K) |
高溫鋰離子電池的結構和組成
鋰離子電池(LIBs)是最廣泛使用的儲能技術之一,通常由四個核心組件組成:陽極、陰極、電解質和隔膜。這些組件顯著影響電池的整體電化學性能、安全性和穩定性。溫度對這些組件的性能有顯著影響。高溫會引入挑戰和降解機制,從而影響LIBs的性能,在某些情況下甚至會危及安全性。
高溫鋰離子電池的主要挑戰
如上所述,LIBs的性能高度依賴于溫度,而高溫條件是導致電池容量下降、效率降低、安全性減弱和循環穩定性降低的主要因素。盡管LIBs在相對溫和的溫度(通常為20°C至30°C)下具有較高的容量和耐用性,但在較高溫度(通常超過60°C)下,它們的性能會顯著下降[37]。高溫條件是其中最
提高鋰離子電池高溫性能的策略
與低溫系統不同,高溫電池不會遇到反應動力學緩慢或溶劑化問題。其主要問題在于電解質分解過程中形成的混合層(SEI/CEI)的不穩定性。要提高LIBs在高溫下的性能,需要仔細優化電解質組成并有效控制表面反應[87],[88]。
傳統上認為,鋰金屬陽極
高溫鋰離子電池電解質方面的最新進展
鋰離子電池在許多領域(如電動汽車和儲能系統)中發揮著關鍵作用。然而,在高溫條件下運行時,它們面臨重大挑戰。許多傳統電解質在高溫下容易分解,導致容量損失、內部電阻增加以及安全問題(如熱失控TR)。電解質是關鍵組成部分,因為它們促進了鋰離子在電池陽極和陰極之間的傳輸。
最近,
未來的挑戰、研究方向和總結
隨著電動汽車、工業儲能、航空航天和國防領域對高溫鋰離子電池需求的增加,迫切需要改進現有技術以克服當前瓶頸。隨著工作溫度的升高,電解質分解加劇,界面副反應增多,電極材料降解,導致效率降低、壽命縮短以及安全問題(如熱失控TR)。因此,解決這些挑戰對于開發可靠的
CRediT作者貢獻聲明
Mehdi Shanbedi: 撰寫——審稿與編輯、初稿撰寫、概念構思。
Hossein Shahali: 撰寫——審稿與編輯、初稿撰寫、概念構思。
Andreas A. Polycarpou: 撰寫——審稿與編輯。
Ahmad Amiri: 撰寫——審稿與編輯、監督、項目管理和資金獲取。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。
致謝
本研究主要由美國國家科學基金會(NSF)資助,項目編號為2521593,項目名稱為“雙溶劑系統中用于超低溫下增強電化學性能的溶劑化動力學”(CBET化學、生物工程、環境和運輸系統部門),資助方為塔爾薩大學。我們非常感謝這一支持,它使我們能夠完成該項目。同時,我們也向MACCOR公司的總裁Andy MacKay和Helen MacKay表示衷心的感謝。
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