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起底华为2项锂电池“黑科技”

   日期:2020-03-03     浏览:42    

提起华为大家首先想到的或许是手机,或许是通信设备,但却少有人知道华为还拥有众多对锂离子电池领域的相关研究。华为的研发投入巨大,不仅是在通信设备方面,在锂电池方面研发投入也是不少。此次备胎芯片“全部转正”,华为近期关于锂电领域的2项研究成果进展也被挖掘出来。

实验与仿真结合,得到锂离子内部短路问题

第一项成果:Safety issues caused by internal short circuits in lithium-ion batteries(锂离子电池内部短路引起的安全问题)。

该成果是,华为中央研究院联合北航的研究人员提出了一种具有高度重复性的研究电池内短路的新方法,并结合实验和仿真手段考察了内短路发展过程。

内短路一直是锂离子电池安全性研究的重要课题之一。目前所开发的内短路研究方法包括热触发(石蜡、相变材料、形状记忆合金等)、电触发(充电/放电等)和机械触发(针刺、内置金属颗粒、打孔隔膜等)。但由于电池体系的封闭性和热、电、机械等多重因素的影响,内短路发生过程及机理远未达到深刻理解的程度,内短路研究迫切需要高重复性、高精确性的新原理、新方法。本方法亮点:1.方法具有很高的重复性;2.结合实验和仿真手段探究内短路发展过程。

该研究是将直径为2 mm的小钢球通过挤压方式以1mm/min的速度侵入电池触发内短路,实验过程监测了电压、不同位置温度变化及实时视频。实验所用的电池为华为提供的LiCoO2手机电池。

由于内短路过程无法直接观察测量,作者利用有限元和多物理参数模型对内短路过程进行了辅助分析。其中,力模型用于分析内短路前的挤压过程,电池模型和短路模型用于分析内短路过程的电化学行为,热失控模型用于分析热失控行为,以上四大模型和热模型联合使用。模拟仿真过程较为复杂,且目前利用仿真手段研究电池的论文愈来愈多,感兴趣的朋友可以详细研究下本论文中的相关讲解,在此不赘述。

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具体的文献信息如下:

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掺杂其他金属,提高钴酸锂容量到理论容量

第二项成果:Approaching the capacity limit of lithium cobalt oxide in lithium ion batteries via lanthanum and aluminium doping(通过掺杂镧和铝,使锂离子电池中的钴酸锂接近理论容量)。

该成果是华为中央研究院联合美国阿贡国家实验室通过掺杂LaAl,将LiCoO2的稳定电压提高到了4.5V,可逆容量达到190mAh/g

近年来,动力电池对低成本、高比能电池的需求使得三元材料的市场需求快速增加,但是在消费电子产品领域,钴酸锂材料长期以来占据锂离子电池正极材料的绝对优势地位。

钴酸锂材料的理论容量为274mAh/g,但在实际使用中为了保持钴酸锂的结构稳定性和良好的循环性能,我们一般将充电电压限制在4.2V左右,因此钴酸锂的实际使用容量也就在140mAh/g左右,近年来材料厂家通过表面包覆合、元素掺杂等手段提升了钴酸锂材料的结构稳定性,充电电压可以提升至4.35V,从而使得钴酸锂材料的可逆容量达到165mAh/g左右,但是这仍然无法满足高比能锂离子电池的需求。

为此,华为中央研究院联合美国阿贡国家实验室通过LaAl掺杂,将LiCoO2的稳定电压提高到了4.5V,可逆容量达到190mAh/g,其中La能够增加LCO材料在c轴方向上的晶胞参数,Al则能够起到促进Li+扩散、稳定晶体结构和防止LCO材料相变的作用,两者相互作用显著改善了LCO材料在高电压下的结构稳定性,循环50次后仍然能够保持96%的容量,并使得LCO材料的倍率性能得到了大幅提高。


 
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