锂电池材料的发展过程及改进方向--固态电池材料

科研开发

Modern Chemical Research

当代化工研究

185

锂电池材料的发展过程及改进方向--固态电池材料

＊王雨潇

（北京市丰台区丰台第二中学 北京 100071）

摘要：本文介绍了锂电池材料的分类与概念、对发展过程进行了描述。锂电池的电子导电率和锂离子扩散速率较低，阻碍了其进一步的

市场化应用。针对这些问题，固态锂电池材料通过不断改进优化，具有安全性能好、能量密度高和循环寿命长等优点，未来具有良好的发展趋势。本文将对锂电池材料的改进方向-固态电池材料进行详细阐述。关键词：锂电池材料；发展过程；固态电池材料

中图分类号：T 文献标识码：A

Development Process and Improvement Direction of Lithium Battery Materials--Solid

State Battery Materials

Wang Yuxiao

(Fengtai No.2 Middle School of Fengtai District, Beijing, 100071)

Abstract：This paper introduces the classification and concept of lithium battery materials and describes the development process. The low

electronic conductivity and diffusion rate of lithium battery hinders its further market-oriented application. In view of these problems, the solid lithium battery material has the advantages of good safety, high energy density and long cycle life through continuous improvement and optimization, and has a good development trend in the future. In this paper, the improvement direction of lithium battery material-solid state battery material will be described in detail.

Key words：lithium battery materials；development process；solid state battery materials

随着不可再生能源储量的减少及环保政策的加强，传统能源的发展受到了一定的制约，人们越来越重视更加清洁的

下转第186页

上接第184页

作，并为托辊位置预留出一定角度。换句话说，就是保证托辊装置与皮带输送方向夹角不受气缸推动力影响，实现皮带跑偏问题的自动化纠正处理。上述设计改造工作的开展，要求相关人员明确皮带跑偏纠正原理与运行过程，如图1所示。

图中所示的纠偏原理是指，当皮带输送设备接上电源设备，启动运行后，Y5电磁阀装置处于失电状态。此时，设备中的皮带就可朝着供料方向以持续状态运行。此过程，由于跑偏监测设备中位置监测装置的皮带运输设备与导轮部件未出现接触，因此，受弹簧拉力作用影响，处于初始运行状态。当E12换向阀门的阀芯在控制装置中，是以压缩状态作用。而纠偏托辊装置活动端部位的活塞杆，在控制装置的右侧。此装置运行状态下，纠偏托辊所对应的中心线与皮带输送设备运行方向之间角度值为91°上下。如此，设计改进人员就可结合皮带跑后原则，判断跑偏发生时，会朝着导轮位置进行偏移。当皮带运输机跑偏作用到一定程度后，就会与导轮进行接触，即使导轮运动的同时，以A为中心位置，沿着逆时针方向旋转。为确保活塞杆在气缸作用下朝着左侧移动，应在监测装置发出指令的未能概况，对气路进行自动环向操作。这样一来，就能保证纠偏托辊中心线和皮带运输设备的运行控制方向转变为89°。

由于皮带运输设备跑偏具有跑后特点，因此，其会朝着远离导轮位置方向进行偏移。在对其进行纠正控制过程中，因皮带与导轮脱离会受到弹簧拉力作用，所以，连杆部位会对换向阀进行压缩，进而保证E12换向阀门能够完成气路转换操作，进而使皮带设备的活塞能够朝着右侧进行移动。

从上述设计改造内容可以看出，跑偏与纠偏过程受主要推动与松开影响的设施是导轮。因此，控制人员应利用杠杆往复对其进行压缩与释放，进而使纠偏托辊部件以来回摆动状态作用。这样一来，就能保证皮带运输设备的皮带与纠偏托辊装置的中心线角度值在89-91°之间。即以自动且连续的纠正跑偏设计，来提高设备运行效率。

5.结束语

综上所述，当皮带运输机作用于煤矿资源的生产建设，意味着设备涉及装置运行将受到环境因素与运行使用方式等因素影响，进而降低设备使用耐久性。为控制此现状，研究人员应通过自动纠偏装置结构设计，即通过位置控制装置与纠偏托辊装置；来提高设备转换效率。事实证明，只有这样，才能解决设备长期运行对皮带运输机方向与工作效率所带来的不稳定性影响问题。故，研究人员应将自动纠偏装置结构设计更多地作用于不同环境条件的煤矿资源生产线，以满足所处地区各行各业对煤矿资源使用量的需求。

•【参考文献】

[1]王晶.煤矿皮带机常见故障分析与智能监测监控探讨[J/OL].机械研究与应用,2018(05):182-183-186.

[2]冀亚伟.皮带运输机跑偏装置设计改进[J/OL].机械研究与应用,2018(05):187-188-191.

[3]夏东舰,邵若根.变频技术在矿用皮带运输机调速系统的应用[J].技术与市场,2018,25(09):159.

•【作者简介】

史增荣（1984-），男，汾西矿业集团新产业发展有限责任公司；研究方向：煤矿机电管理。

186

当代化工研究

Modern Chemical Research

科研开发

2019·05

新能源的发展。新能源材料之一的锂离子电池材料就是清洁能源，其能量密度、工作电压、循环寿命都优于传统电池，而且对环境无污染、绿色环保。因此很有必要根据锂电池的发展过程，将产品一步步完善，使其更为安全稳定，得到更广泛的应用。但目前锂电池材料仍存在安全性以及大容量发电等问题，而固态电池材料除了兼具锂电池材料的优点外，还采用结锂、钠制成的玻璃化合物为传导物质，从而达到使用材料为全固态材料。因此在稳定性、生产效率等方面得到了提升，成为现在研究的热点。

1.锂电池材料

(1)锂电池材料的分类

锂电池分为锂金属电池和锂离子电池，其中锂离子电池材料根据采用的正极材料进行细分，分为锂离子电池有锰酸锂电池、钴酸锂电池、磷酸锂电池。锂离子电池工作原理如下文所述，与具体类型无关。

(2)锂电池材料的工作机理

锂电池充放电反应式：

充电：LiFePO-4xLi+-xe-→xFePO4+(1-x)LiFePO4放电：FePO+4xLi++xe-→xLiFePO4+(1-x)FePO4

由上述反应式可以发现，整个反应过程没有消耗电解液，没有产生气体，锂离子只是在充电和放电过程中不断地游动。

2.锂电池材料的发展过程及存在问题

锂电池材料最早以硫化钛为正极材料，金属锂作为负极材料，制备出最为简单的锂电池，但这种电池的技术需要的精密度很高，产业无法达到，未得到广泛应用，但锂电池材料制成电池成为了重点的研究方向。之后以锂离子作为研究材料研究出了以钴酸锂作为正极材料的电池，随后研究出的磷酸铁锂具有橄榄石型结构，其工作电压平稳、比容量高、放电功率较大、可快速充电且反复利用的寿命长、在高温与高热环境下稳定性好，成为未来锂离子电池发展方向之一。但同时也有严重的缺点，例如：电子导电率和锂离子扩散速率较低、耐低温性能较差等，这严重影响了磷酸铁锂市场化应用。

锂的枝晶生长、锂金属电池低的库伦效率和锂的无主体沉积引起的体积膨胀等一些关键问题长期制约着锂负极材料的商业应用。锂的每次沉积都会产生枝晶，在充放电循环中，锂枝晶会导致电池内部短路，更严重的情况下，还会引发爆炸等安全事故，带来严重的安全问题。除此之外，锂枝晶的产生还会增加负极表面积，新暴露出的锂金属会与电解液发生一系列的反应，生成固态电解质膜，这会损耗活性材料以及降低电池的库伦效率。为了解决以上问题，研究者们对锂金属电极在锂枝晶生长的机理方面进行了许多探索。从根本寻找可以抑制锂枝晶产生的方法，但这些抑制方法虽然能够在一定程度上缓解锂枝晶的生长问题，但与商业化应用的标准还存在很大的距离。并且锂金属体积无限的膨胀会造成锂金属电池内部电解液隔膜界面波动，产生内应力，严重影响电池的安全性能。

3.锂电池材料改进方向-固态材料电池

(1)固态电池材料的定义

固态锂电池中包括正极、固体电解质、负极、集流体、极柱等材料。氧化物、硫化物及聚合物是固体电解质的三种类型。固态锂电池全称为全固态锂电池，因完全采用固体电解质替换液态锂电池中的电解液，使电池材料中不含任何液

体成分，且所有材料都以固态形式存在而得名，使电池的能量密度、安全性得到了提升。

(2)固态电池材料的优点

固态锂电池采用的是固体电解质，固体电解质可以很大程度的阻止锂离子的移动，从而简化了电池多层的结构，提高了电池的安全性和稳定性。而目前商业应用的锂电池采用的是液态电解质，很容易燃烧，存在很大的安全隐患，所以固态锂电池具有一定的优势。

由于锂离子电池具有很多方面的问题，全固态电池根据锂离子电池材料的缺点做了进一步的改进，使锂电池具有：①单位体积内的能量密度更高、热稳定性更好。原因是：传统锂离子电池存在电解液腐蚀和泄露的问题，全固态锂离子电池材料采用全固态材料，可以大幅度消除传统电池的安全隐患；②生产效率更高。原因是：传统锂离子电池需要封装液体，而固态锂离子电池进一步改进，串行叠加排列和双极机构；③可叠加多个电极使用。原因是：全固态锂离子电池的固体电解质具有固态特性；④稳定性更强。全固态电池材料的热稳定性和能量密度优于传统电池材料，所以可以匹配高电压电极材料；⑤使用寿命得到延长。

(3)固态电池材料的发展趋势

固态电池具有高安全性、长寿命和高比能量等特点，对于新能源汽车、化学储能和智能电网有大规模应用需求。所以固态锂电池技术在制备过程中的界面阻抗等问题上一旦取得突破，将会对相关领域带来革命性的变化，并能够更好地满足未来新的多种应用需求。

固态锂电池可提升现有锂电池体系能量密度、安全性和循环性等技术，成为全球热门产业。美国、欧洲、日本、韩国等地的科研机构很早就开始研究固态锂电池材料的制备。中国在技术研发方面，产业化方面，政策引导方面也有所行动，为了提升我国固态锂电池的技术开发能力，我国不断建设高水平的国家级研发诊断测试平台。并且通过对优势团队的大力支持，迅速提升我国核心团队在世界范围的影响力。

4.结论

可持续发展是指既满足当代人的需求，又不为后人带来各方面的阻碍。目前全世界都面临资源、环保等关乎人类社会可持续发展的问题，要达到经济、社会、资源和环境保护协调发展，全世界范围内都以研发出更绿色更加清洁的材料为目标。锂电池材料的发展无疑会带来煤化工等传统能源体系的变革，从而带来更加绿色的环境。在锂电池材料整体的发展过程中，科学家通过不断的努力，研究出了较为成熟的产品，但仍存在安全、能耗等问题。目前固态电池技术仍然存在着一定的技术难题，例如制备过程中的界面阻抗问题；在研发、制备过程中面临的产业化推广问题等。但是固态电池材料能从根本上解决现在主流锂离子电池材料面临的安全问题，随着科研技术的成熟推进，假以时日，固态电池材料定能在未来新能源行业发挥巨大作用。

•【参考文献】

[1]张志.锂电池工作机理与模型简述[J].电子技术与软件工程,2018.

[2]张克杰,陈鹏,谢旺旺,蔡婧,周志萍.磷酸铁锂优缺点及改性研究进展[J].无机盐工业,2018,7.

•【作者简介】

王雨潇，女，北京市丰台区丰台第二中学；研究方向：锂电池材料的发展过程及改进方向—固态电池材料。