转载一篇其鲁教授的最新力作。 一、概述 为了缓解全球石油资源紧张、大气环境污染加剧给人类生存带来的压力,过去几十年中人们做出了不懈的努力,其中发展电动汽车被认为是解决这一问题的最有效方法之一。但长期以来,由于在电动汽车的关键技术即动力电池技术没有取得重要进展,直到现在电动汽车的产业化在全球依然是空白。 可用于电动汽车的动力电池主要有铅酸电池、镍氢电池、锂离子二次电池。铅酸电池由于能量密度低,且存在严重的重金属污染问题而在逐渐退出应用市场;镍氢电池则主要以高功率电池的形式应用于混合动力汽车,但是由于性价比低,正在被锂离子电池所代替。 锂离子二次电池虽然具有能量密度高、电压高以及无记忆效应等优势,但是由于过去SON Y 、松下等公司生产的笔记本电脑用小型电池接连爆炸,人们一直担忧锂离子动力电池的安全性能。大量研究结果表明,锂离子二次电池的安全性能是完全可以控制的。如果锂离子动力电池采用了具有尖晶石结构的锰酸锂等热稳定性好的正极材料体系或者金属氧化物负极材料(如钛酸锂等)体系,以及通过电池的结构设计完善解决电池极端条件下的热失控问题,同时使用可靠性较高的电池管理系统,应该可以使锂离子电池在电动汽车上安全应用。2008年北京奥运纯电动公交车的成功运行就证明了这一点。这是在国际上首次大规模使用装载先进的动力锂电池的纯电动公交车,必将对国内外电动汽车产业的发展起到重要的推动作用。 二、新型化学材料 1、新型高电压尖晶石电池正极材料锂离子电池常用的正极材料有L iCoO 2、L iN iO 2、N i-Co-M n三元素锂氧材料,这些材料的容量高,但热稳定能差,作为动力电池材料,存在安全隐患。目前,具有良好热稳定性的正极材料有L iM n2O 4和L iF ePO 4等,其中 L iM n2O 4的动力电池已经大规模应用于北京的纯电动公交车上。高电压的正极材料L iN i0.5M n1.5O 4由于能够大幅提高电池的能量密度,正在引起人们的关注。 锂尖晶石型材料的化学通式为L iB 2O 4,B 代表锰、镍等金属离子,它的结构是由氧离子作规则的立方紧密堆积组成,L i离子和B 离子分别占据在四面体和八面体空隙中,实际上该晶体完整的单胞形式是L i8B 16O 32,具有F d3m(N o.227) 的空间群。32个氧离子占据立方体的32e位置,它们作立方密堆积(F CC),形成64个四面体空隙和32个八面体空隙。L i离子占据其中1P8的四面体空隙,并且占据8a位置;另外,B 离子占据1P2的八面体空隙,分布在16d位置。从整体上看,L i离子分布在八面体周围的三维孔道中,可以直观地说明这种尖晶石结构有利于锂离子的嵌入和脱出,从而保证它在孔道中的迁移,使其具有较好的充放电特性,可作为锂离子二次电
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