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四:电池的大问题之三,正极表面材料
上一部分归纳总结一下,为了让锂原子在每次充电时能够均匀有序地分布在负极表面,负极表面需要一层固化的结构来约束(有序化,降低熵值)锂原子的分布。这个设计在很大程度上稀释了电池的能量密度。
正极实际上也有同样的问题,为了让锂离子在每次放电时能够均匀有序地分布在正极表面,正极表面需要一层固化的结构来约束(有序化,降低熵值)锂离子的分布。这个设计在很大程度上稀释了电池的能量密度。
但还不止。
这是电池正极材料充放电时结构变化的示意图。这里的M代表金属原子,X代表氧原子。这张图的各种原子的大小比例不要当真。锂离子要比另外两个都小很多。
我们可以看到,MX2们在正极基底上形成了几层很规整(很有序)的结构,放电时,电子在正极(正极)聚集,锂离子向正极移动,穿插进入MX2结构的空隙,从而有序的分布在正极表面。MX2中的金属离子得到电子被还原,从而起到氧化剂的作用。
然而这张图实际上包含了另一个大问题。
大家有没有觉得两边的结构图看上去特别的豆腐渣??就像下面这样??
如果你玩过层层叠这种类型的游戏,估计会知道,总有那么几块积木,看上去无关紧要,但只要一动。。。。
这个结构一旦坍塌,不可能自己回复的。
怎么办?适可而止,见好就收。套在电池正极这方面来说的话,那就是正极表面必须保持一定量的锂离子来维持结构的完整。这个一定量,一般是50%。
这是为啥前面那个反应式会有一个未知量x。即使是在充满电的状态下,还有近一半的锂离子停留在正极表面。于是能量密度更低了。
题外话:这也是为啥锂电池很怕过度充电,一旦过度充电,阴极的锂离子跑光了,这堆积木就要塌方了。。。
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