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鋰離子電池衰退的原因是什么你了解嗎?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年09月09日  

鋰離子電池衰退的真正原因是什么?為了找出循環不穩定的原因,科學家們試圖觀察,當電池完成100次循環后,磁鐵礦的晶體結構和化學性質變化情況。他們結合透射電子顯微鏡(TEM)和同步X射線吸收光譜(XAS),進行研究。TEM的電子束通過樣本傳輸,出現特點物質的結構圖像或衍射圖案,XAS利用X射線來探測材料的化學性質。


科學家們利用這些技術發現,第一次放電時,磁鐵礦完全分解成金屬鐵納米顆粒和氧化鋰。但在接下來的充電過程中,這種轉化反應并不是完全可逆的,金屬鐵和氧化鋰的殘留物仍然存在。此外,磁鐵礦原始的尖晶石結構在帶電狀態下演化為巖鹽結構(在兩種結構中,鐵原子的位置并不完全相同)。在隨后的充放電循環中,巖鹽氧化鐵與鋰相互用途,形成氧化鋰與金屬鐵納米顆粒的復合物質。因為轉化反應不是完全可逆的,這些殘余產物會逐漸積累起來。科學家們還發現,電解質(使鋰離子在兩個電極之間流動的化學介質)在隨后的循環中會分解。


在研究結果的基礎上,科學家們提出一種儲能能力衰退的解釋。CFN電子顯微鏡小組的科學家、共同首席作者SooyeonHwang說,由于氧化鋰的電子導電性較低,它的積累會對在電池正負極之間穿梭的電子形成屏障,我們把它叫做內部鈍化層。同樣,電解質分解也會形成表面鈍化層,阻礙離子傳導。這些障礙累積起來,阻礙電子和鋰離子到達發生電化學反應的活性電極材料。


科學家們指出,在低電流下運行電池,可以通過減慢充電速度,恢復部分容量為電子傳輸供應足夠的時間;然而,要徹底解決這一問題,還要其他方法。他們認為,在電極材料中添加其他元素和改變電解質,可以改善容量衰減。


梯次利用步伐加快


工業和信息化部網站日前發文稱,我國鐵塔公司于2018年停止采購鉛酸電池,并大力推廣鋰離子電池梯次利用,已在全國31個省區市約12萬個基站使用梯次電池約1.5GWh,替代鉛酸電池約4.5萬噸。


鐵塔公司所使用的梯次電池正是新能源汽車退役的動力蓄電池。據介紹,正常情況下,新能源汽車動力蓄電池容量衰減至80%以下時,將不能完全滿足汽車動力需求,但仍然可以梯次利用于其他領域。


事實上,退役的動力蓄電池,若未經科學處理,未能進入梯次利用隊列,將威脅公共安全,并對生態環境造成嚴重污染。同時,也是對金屬資源的浪費。據我國汽車技術研究中心有限公司的相關專家介紹,廢舊動力蓄電池處置不當不僅存在觸電、燃爆和腐蝕等安全隱患,還會造成嚴重的重金屬和電解液污染。


專家預計,2020年我國退役動力蓄電池累計約為20萬噸,至2025年將達78萬噸。可以說,動力蓄電池工作仍面對較大壓力。


但是,我國動力蓄電池回收的一大優勢就是退役電池分布地區較為集中。此前,為了推動新能源汽車發展,科技部、財政部等多個部委聯合發起了十城千輛節能與新能源汽車示范推廣應用工程,計劃用3年左右的時間,每年發展10座城市,每座城市推出1000輛新能源汽車開展示范運行,并最終選出了3批共25座試點城市。因此,如今的退役動力蓄電池也重要集中在深圳、合肥、北京等新能源汽車推廣力度較大的城市。


回收體系加快完善


2018年,工業和信息化部聯合科技部、生態環境部、交通運輸部、商務部、市場監管總局、能源局公布了《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》,構建回收利用管理機制,推動建立回收利用體系。


為了明確溯源信息采集要求,新能源汽車國家監測與動力蓄電池回收利用溯源綜合管理平臺也上線運營。目前,已有393家汽車生產公司、44家報廢汽車回收拆解公司、37家梯次利用公司和42家再生利用公司加入平臺。


工業和信息化部還確定在京津冀、上海等17個地區,以及我國鐵塔公司開展試點,積極培育標桿公司,探索技術經濟性強、資源環境友好的多元化回收利用模式。北汽新能源、廣汽三菱等45家公司共設立了3204個回收服務網點,重要集中在京津冀、長三角、珠三角及中部新能源汽車保有量較高的地區。


同時,汽車制造、電池生產及綜合利用等公司在備電、儲能等領域積極開展梯次利用試驗。總體來看,梯次利用市場潛力還是很大的,已成為行業發展熱點,部分公司正在梯次利用領域探索以租代售等新商業模式。


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