摘要：同时斟酌兼具高理论质量能量密度和理论体积能量密度，H2O/Li、S/Li、H2O/Al、H2O/Mg、S/Mg、CuF2/Li、FeF3/Li、MnO2/Li、MoO3/Li等电池具有较强的储能能力。具体而言，锂电池具有最高的理论质量能量密度，而铝电池具有最高的理论体积能量密度。

（来历：微信公家号“能源学人”作者：一只小兔纸）

【研究布景】

高能量密度是电池永久的寻求，得益在锂离子电池（LIBs）的成功贸易化，电池的能量密度获得了显著晋升。但是，今朝的LIBs仍不克不及知足日趋增加的电动汽车和便携式电子装备的需求。列国都对电池的成长作出了计划，如2020年到达300 Wh kg−1，2030年到达500 Wh kg−1，可是依照今朝的成长趋向，该方针很难实现。是以，有需要对所有可能的高质量能量密度（GED）和体积能量密度（VED）的电池系统进行系统的理论挑选，以找到比今朝LIBs能量密度更高的可充电电池。基在此，中科院物理所李泓研究员团队经由过程热力学计较取得了以Li、Na、K、Mg、Al和Zn作为负极的1683种基在转换反映电池的理论能量密度和其电动势（EMF）。并以理论能量密度年夜在1000 Wh kg−1/800Wh L−1和电动势年夜在1.50 V为挑选尺度，挑选出了51中成心义的电池系统。相干功效以“Batteries with high theoretical energy densities”为题颁发在国际权势巨子期刊Energy Storage Materials上。

【图文解读】

1. 计较方式

本文彩用宏不雅热力学方式计较电池的理论能量密度。一般而言，任何产生电荷转移的化学反映都可用在电化学储能，反映式以下：

若反映的吉布斯自由能为负，则反映在尺度前提下自觉进行，当反映可逆时，这个反映所做的最年夜电功等在反映的吉布斯自由能，即

中，n为每摩尔反映物转移的电荷数，F为法拉第常数，E为电动势。理论质量能量密度（TGED）和理论体积能量密度（TVED）可别离经由过程以下公式计较：

此中，和别离暗示反映物的摩尔质量之和与反映物的摩尔体积之和。电极材料的比容量与本身每摩尔质量可输送的电量有关，计较公式以下：

在转换反映中，每一个过渡金属离子的电子转移很多在一个，而插层反映中凡是为0.5-1.0个。

2. 电池的选择

电池的选择首要从正极和负极两方面来斟酌。选择研究最为普遍的Li、Na、K、Mg、Al和Zn作为负极，其可以与各类各样的正极想配对。今朝LIBs首要仍是采取贸易石墨作为负极，其理论比容量只有372 mAh g−1，今朝LIBs在三种利用范畴下的机能如表1所示。

表1. 三种类型锂离子电池的机能

高容量纳米硅具有4200 mAhg−1的理论比容量，且已用在高GED/VED电池，但年夜的体积膨胀，限制了其容量阐扬。凡是环境下，电池中所用纳米硅负极的容量首要在420-450 mAh g−1，少有高在600mAh/g。金属锂因其较低的电化学氧化还原电位（−3.040 V vs NHE）和较高的理论比容量（3860 mAh g−1）而成为负极的终究选择，表2给出了这几种负极材料的机能比力。所选的电池正极由原子序数小在54的元素构成，包罗纯元素、氟化物、氧化物、氮化物、硫化物、氯化物、碳酸盐和硫酸盐，但未斟酌插层化合物的正极，如钴酸锂。

表2. Li、Na、K、Mg、Al、Zn的机能比力

3. 电池的挑选尺度和成果

从高能量密度、高电压、低本钱和低风险性的角度对电池进行挑选，挑选流程如图1所示。终究，合适尺度的电池只有51种，以Li2O为反映产品的O2/Li电池具有最高的理论质量能量密度到达5217 Wh kg−1，O2/Al电池以4311 Wh kg−1的理论质量能量密度排名第二，O2/Mg电池的理论质量能量密度为3924 Wh kg−1，排名第三。

图1. 电池挑选流程图

分歧负极电池的理论质量能量密度和理论体积能量密度比力如图2a-b所示。在锂、镁、铝、钠、钾、锌六种负极中，锂电池的理论质量能量密度含量最高，镁电池和铝电池次之，钾电池和锌电池排在最后；而不管负极是甚么，以O2为正极的电池老是具有最高的理论质量能量密度。但从理论体积能量密度角度看，铝电池和镁电池是最抱负的电池。整体而言，锂电池、镁电池和铝电池在理论质量能量密度和理论体积能量密度方面比钠电池、钾电池和锌电池更有益。从图2c可以看出，CuF2/Li电池的电动势最高，跨越3.5 V。一般而言，氟化物正极比氧化物正极具有更高的电动势。图3d显示了高理论体积能量密度和电动势的铝电池，与锂电池对应，CuF2/Al电池在这九种电池中具有最高的电动势，跨越2.4 V环球app官网，而氧化物正极的理论体积能量密度比氟化物高。

图2. 理论质量能量密度和理论体积能量密度（基在正极和负极活性材料）与电池电动势的比力。

4. 电池现实能量密度的估算

经由过程设计成软包电池来评估挑选出的51种电池的现实能量密度（因为手艺缺点，气体或液体正极的电池还没有计较出来）。此中电解质由20 μm厚的PEO/LiTFSI复合薄膜组成，软包电池的布局如图3所示。值得留意的是，这51种电池的电动势均在3.6 V以下，低在PEO/LiTFSI的氧化电位，正极活性物资在电极中的占比到达96%，负极其纯锂、钠、钾、镁、铝或锌，N/P比为2（N/P比为正负活性物资容量比），假定密封薄膜和极耳占全部电池的质量的8%，体积的0.1%。

图3. 以CuF2/Li为例，基在PEO/LiTFSI电解质的软包电池布局示意图

经由过程估算，理论质量能量密度中排名前20的电池的猜测质量能量密度（PGED）如图4a所示，S/Li电池的PGED值最高，为1311Wh kg−1，CuF2/Li电池排在第二位，为1037 Wh kg−1，FeF3/Li电池位列第三，为1003 Wh kg−1，PGED与理论质量能量密度的比值在0.48-0.67，这一成果注解年夜在1000 Wh kg−1的软包电池是可以实现的。理论体积能量密度中排名前20的电池的猜测体积能量密度（PVED）如图4b所示，CuO/Al、Co3O4/Al、MnO2/Al电池的PVED最高，别离为2899 Wh L−1、2834 Wh L−1、2745 Wh L−1，PVED/TVED的比值在0.50-0.53之间，可以看出操纵软包电池来到达800 Wh L−1的方针也是可行的。

图4. 具有高理论质量能量密度和理论体积能量密度电池的PGED与PVED

5. 其他高能量密度电池

插层化合物，如富锂层状正极（xLiMO2(1−x)Li2MnO3）的容量跨越250 mAh g−1，工作电压跨越3.5 V，获得了普遍的研究。采取Li1.25Co0.25Mn0.50O2与单层Li2MnO3超晶格布局耦合的正极乃至能到达400 mAh g−1的可逆能量密度。虽然插层电池可以在短时间内实现较高的能量密度，但低的理论能量密度限制了电池的久远成长。氟离子电池是基在金属氟化物/金属(MFx/M')组合经由过程F−穿梭组成的二次电池。因为金属氟盐的高密度，这些电池具有高在4000Wh·L−1的理论能量密度，远高在商用LIBs。但是低的首效，快的衰减速度，年夜的体积转变和不平安性等身分阻碍了其贸易化利用。有机化合物具有低的份子量和多电子转移能力，这使得它们的理论容量可以轻松跨越400 mAh g−1。虽然一些有电机极具有超高的理论容量，但它们的平均电压年夜多很低。如PTBDT的理论比容量为1116 mAh g−1，可是因为硫醚阳离子的还原反映，其放电平台很低。

【总结与瞻望】

按照热力学计较，环球体育app最新版下载同时斟酌兼具高理论质量能量密度和理论体积能量密度，H2O/Li、S/Li、H2O/Al、H2O/Mg、S/Mg、CuF2/Li、FeF3/Li、MnO2/Li、MoO3/Li等电池具有较强的储能能力。具体而言，锂电池具有最高的理论质量能量密度，而铝电池具有最高的理论体积能量密度。除基在转换反映的电环球app体育池外，其他电池如富锂氧化物和氟碳电池也能够斟酌作为高理论质量能量密度和理论体积能量密度的替换方案。凭仗高的理论极限，基在转换反映的电池是能量存储系统的持久方针。经由过程对电池能量密度的系统计较和阐发，说明了电池设计的局限性，也为下一代储能手艺的成长指了然标的目的。