研究亮点（1）利用原位磁性监测技术研究了一个典型的Fe3O4/Li电池内部电子结构的演化；（2）揭示了Fe3O4/Li体系中，表面电荷容量是额外容量的主要来源；（3）金属纳米粒子的表面电容机制可以推广到大范围的过渡金属化合物中。图文导读1.结构表征和电化学性能用传统的水热法合成了单分散的空心Fe3O4纳米球，在100 mA g−1电流密度下充放电（图1a），第一次放电容量为1718 mAh g−1，在第二次和第三次分别为1370 mAh g−1和1364 mAh g−1，远远超过926 mAh g−1的理论预期。完全放电产物的BF-STEM图像（图1b-c）表明，经锂还原后，Fe3O4纳米球转化为尺寸约为1-3nm的更小的Fe纳米颗粒，分散在Li2O中。为了证明在电化学循环过程中磁性的变化，获得了完全放电至后的磁化曲线（图1d），显示了由于纳米铁颗粒的形成而产生的超顺磁性行为。图1（a）在100 mA g−1电流密度下循环的Fe3O4/Li电池的恒流充放电曲线；（b）全锂化Fe3O4电极的BF-STEM图像；（c）团聚体中存在Li2O和Fe的高分辨率BF-STEM图像；（d）Fe3O4电极在锂化过程前（黑色）和之后（蓝色）的磁滞曲线，以及后者（紫色）的Langevin拟合曲线。2.结构和磁演化的实时检测为了将电化学与Fe3O4的结构和磁性变化联系起来，对Fe3O4电极进行了原位X射线衍射（XRD）和原位磁性监测。在从开路电压（OCV）到的初始放电过程中，一系列XRD衍射图中的Fe3O4衍射峰在强度和位置上都没有明显的变化（图2a），表明Fe3O4只经历了Li插层过程。当充电到3V时，Fe3O4的反尖晶石结构仍然保持完好，这表明在这个电压窗口中的过程是高度可逆的。进一步进行了与恒流充放电试验相结合的原位磁性监测，以研究磁化是如何实时演变的（图2b）。图2原位XRD和磁性监测表征。（a）原位XRD图；（b）研究了Fe3O4在3 T外加磁场下的电化学充放电曲线及相应的可逆原位磁响应。为了从磁化强度变化的角度对这种转换过程有一个更基本的了解，实时收集了磁性响应，以及伴随电化学驱动反应的对应相变（图3）。很明显，第一次放电时，Fe3O4电极的磁化响应与其他循环不同，这是由于第一次锂化过程中Fe3O4发生不可逆相变所致。当电位降至时，Fe3O4的反尖晶石相转变为含Li2O的FeO类盐石结构，Fe3O4相在充电后无法恢复。相应地，磁化强度迅速下降至μbFe−1。随着锂化的进行，没有新相形成，（200）和（220）类FeO衍射峰的强度开始减弱。当Fe3O4电极完全锂化时，没有明显的XRD峰保留（图3a）。注意到当Fe3O4电极从放电到时，磁化强度（从 μb Fe−1增加到μbFe−1），这归因于FeO到Fe的转化反应。然后，在放电结束时，磁化强度缓慢下降至 μB Fe−1。这一发现表明，完全还原的金属Fe0纳米颗粒仍可能参与锂存储反应，从而降低电极的磁化强度。图3相变和磁响应的原位观测。（a）Fe3O4电极第一次放电过程中采集的原位XRD图；（b）Fe3O4/Li电池在外加磁场3 T下电化学循环的原位磁力测定。体系的表面电容Fe3O4电极的磁性变化发生在低电压下，在该电压下最有可能产生额外的电化学容量，这表明电池内存在未发现的电荷载体。为了探索潜在的储锂机理，利用XPS、STEM和磁性能谱等手段，研究了Fe3O4电极在、和的磁化峰，以确定磁性变化的来源。结果表明，磁矩是影响磁性变化的关键因素，因为测量到的Fe0/Li2O体系的Ms不受磁各向异性和粒子间耦合的影响。为了进一步了解Fe3O4电极在低压下的动力学性质，在不同的扫描速率下进行了循环伏安测量。如图4a所示，矩形循环伏安曲线出现在和1V之间的电压范围内（图4a）。图4b表明Fe3O4电极上发生了电容响应。伴随恒流充放电过程的高度可逆磁响应（图4c），电极的磁化强度在放电过程中从1V下降到，在充电过程中又重新增加，说明Fe0的类电容表面反应是高度可逆的。图4在–1 V下的电化学性能和原位磁性表征。（a）循环伏安曲线。（b）利用峰值电流与扫描速率的相关性确定b值；（c）在5 T外加磁场下，磁化强度相对于充放电曲线的可逆变化。上述Fe3O4电极的电化学、结构和磁性特征表明，额外的电池容量是由Fe0纳米粒子的自旋极化表面电容引起的，并伴随磁性变化。自旋极化电容是界面上自旋极化电荷积累的结果，在充放电过程中可以显示磁响应。对于Fe3O4基电极，在第一次放电过程中，分散在Li2O基底中的细Fe纳米颗粒具有较大的表体积比，由于高度局部化d轨道，可实现费米能级的高状态密度。根据Maier的空间电荷储存理论模型，作者提出在金属Fe纳米粒子的自旋分裂带中，可以储存大量电子，这可能会在Fe/Li2O纳米复合材料中产生自旋极化表面电容（图5）。图5Fe/Li2O界面自旋极化电子的表面电容示意图。（a）铁磁性金属颗粒表面（放电前后）的自旋极化态密度示意图，与铁的体自旋极化相反；（b）超储锂表面电容模型中空间电荷区的形成。总结与展望通过先进的原位磁性监测，研究了TM/Li2O纳米复合材料内部电子结构的演变，以揭示该锂离子电池额外存储容量的来源。结果表明，在Fe3O4/Li模型电池系统中，电化学还原的Fe纳米颗粒能够储存大量的自旋极化电子，导致过大的电池容量和明显改变的界面磁性。实验进一步验证了CoO、NiO、FeF2和Fe2N电极材料中存在这种电容，说明锂离子电池中金属纳米粒子的自旋极化表面电容的存在，并为这种空间电荷存储机制在其它过渡金属化合物基电极材料上的应用奠定了基础
锂电池中，应该是储锂恰当。将电能以化学能的形式储存起来，但是又不能直接“储存电子”，因此以可逆脱嵌的“Li+”“Na+”的形式储存于host structure的正负极材料中另外，楼上说的“锂离子从正极脱出，穿过电解液和隔膜，来到了负极”，是一个经常被误解的概念。感兴趣的同学可以算算，一个Li+从正极“跑到”负极得花多久的时间，是否符合电池的正常充放电周期。一般是认为，Li+从正极脱出，通过cathode/electrolyte interface进入电解液，同时另一端，电解液中的Li+通过anode/electrolyte interface嵌入负极，这就是为什么在锂电（其它输运过程其实都差不多）中，界面反应被那么看重的原因锂离子电池已经广泛应用到社会生活bai的各个方面，给人们的生活带来便利。但锂离子电池中还存在一些基础科学问题不是很清楚，其中，进一步揭示储锂材料的储锂机理对改善锂离子电池性能和探索新材料有着至关重要的作用。
1990年以来发表的论文(Eng.):新世纪1. Surface-modified Graphite as an improved intercalating Anode for Lithium ion Batteries，, , e l，Electrochem. & Solid State Lett. , 6 (2003).A30-A332. Possible use of ferrocyanide as a redox additive for prevention of electrolyte decomposition in overcharged nickel batteries, Electrochem. Acta, (2003)3. Temperature Effects on the Electrodeposition of Zinc， u, e l ，J. Electrochem. Soc., 150 (2003) . Hydrogen production from catalyzed hydrolysis of sodium borohydride solution using nickel boride catalyst，, e l，Int. J. Hydrogen Energy 28 (2003)10955. A Mechanistic Study of Electrocatalytic Reduction of Oxygen on Manganese Dioxides in Alkaline Aqueous Solution, Y. L. Cao, H. X. Yang*, X. P. Ai, and L .F .Xiao， J. Electroanal. Chem.，(2003) ,6. Structural and electrochemical characterization of calcium zincate mechanochemically synthesized as rechargeable anodic materials，, H. Yang, X. Ai, J. Yu and Y. Cao, J. Appl. Electrochem., 33(2003)6077. 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Letters, 2, (1991)329 1990年以来发表的论文(中文):21世纪1. 联苯用作锂离子电池过充保护剂的研究, 肖利芬, 艾新平, 曹余良, 杨汉西, 电化学, 9(1), 23(2003)2. 塑料化聚合物电解质的导电性质, 艾新平,董全峰,杨汉西, 电池,32(S1), 48(2002)3. 尖晶石型ZnMn_2O_4的合成及其电化学行为, 李升宪,李保旗,杨汉西,艾新平, 电池,32, 3( 2002)4. 锌酸钙的制备与电化学性能研究, 喻敬贤,杨汉西,朱晓明,艾新平, 电池, 31(2) 65(2001)5. 圆柱型锌空气电池研究, 李升宪,周贵茂,艾新平,杨汉西, 电化学,6(3), 341(2000).6. 塑料化薄膜锂离子电池的制造技术, 艾新平,洪昕林,董全峰,李升宪,杨汉西, 电化学, 6(2), 193(2000)上世纪90年代7. LiMn2O4正极在高温下性能衰退现象的研究, 胡晓宏,杨汉西,艾新平,李升宪,洪昕林, 电化学, 5(2), 224(1999)8. 纳米光亮镀锌层的结构研究, 喻敬贤,陈永言,黄清安,杨汉西, 高等学校化学学报,20(1),107 (1999)9. 添加剂对锌结晶行为的影响及参数的演化优化, 化学学报, 57,953(1999)10. 锡基非晶态材料的化学合成及其嵌锂性能的初步研究, 刘立,杨汉西,孙聚堂,艾新平, 电化学,4(4), 362 (1998)11. 石墨负极锂嵌碳机理的研究, 周震涛,黄静,汪国杰,艾新平,杨汉西,, 华南理工大学学报(自然科学版) 1998年07期12. 贮氢合金用作有机加氢反应新型催化剂研究进展, 卢世刚,杨汉西,杨聪智, 化学通报 12, 1(1998)13. 电阻应变法用于密封电池内压变化的动态检测, 杨汉西, 胡容辉,艾新平,杨聪智,李升宪, 电化学, 4(3), 318(1998)14. 薄膜塑料锂离子电池的初步研究, 董全峰, 杨汉西, 艾新平, 胡晓宏,李升宪, 电化学, 4(1), 9(1998)15. 电化学制备Ni-Cu/Cu超晶格多层膜, 喻敬贤,陈永言,黄清安,杨汉西, 武汉大学学报(自然科学版) 1998年06期16. 氢气在贮氢合金电极上析出反应机理的研究, 卢世刚,李群,刘庆国,路春,党兵,杨汉西, 电化学,4(3),265 (1998)17. 非水介质中Zn-MnO_2的可充性研究, 李保旗,杨汉西,李升宪,杜米芳,艾新平, 电化学,3(3), 277 (1997)18. 泡沫镍的电沉积制备技术, 何细华，胡蓉晖，杨汉西，左正忠, 电化学,2(1), 66 (1996)19. 微电极定量方法评价贮氢合金的电化学性质, 胡蓉晖,杨汉西,刘金成,李升宪,查全性, 电化学,2(4), 391(1996)20. 贮氢合金电极的活化方法和作用机理研究, 胡蓉晖,杨汉西,卢世刚,李升宪,刘金城,杨聪智, 电化学,2(2), 170 (1996)21. 电沉积泡沫铜, 何细华，左正忠，杨汉西, 材料保护 1996年11期22. 无氟微酸性体系镀铅研究, 何细华，左正忠，杨汉西, 电镀与环保 1995年05期23. 贮氢合金用作硝基苯电解加氢的催化电极研究, 卢世刚，杨汉西，王长发, 电化学, 1(1), 15(1995)24. 金属氢化物-镍电池充电过程消气反应研究, 刘金城, 杨汉西, 胡蓉辉, 吴锋, 电源技术, 19(4), 1(1995)25. 超薄层红外光透电解池的设计和应用, 肖以金,杨汉西,查全性,, 分析化学 1994年02期26. 电化学石英晶体微天平对银电极氧化还原过程的研究, 陈胜利, 吴秉亮, 杨汉西, 高等学校化学学报, 15(1), 103(1994)27. 炭材料作为储锂负极的研究, 杨汉西, 雷鸣,李升宪,艾新平, 应用化学, 10(1), 113(1993)28. 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“‘低钴’和‘无钴’是未来电池正极材料的发展趋势。” 谈及电池产业的未来发展，清华大学车辆与运载学院助理教授、电池安全实验室主任冯旭宁指出。对此，中国科学院物理研究所博士生导师、天目湖先进储能技术研究院首席科学家吴凡也表达了相同的观点：“对锂离子电池正极材料而言，‘高镍低钴’或‘无钴’化是大势所趋。” 在过去 20 年里，半导体行业发展一路突飞猛进，如 CPU 工艺技术一直遵循摩尔定律，性能每隔两年就能翻一倍。 然而，电池技术却没有取得太大突破，纵然每年都会有各种 “XX 新型电池” 的新闻冲上热搜，但最终还是沦为 “PPT 电池”：或是因为技术工艺，或是因为成本造价，或是因为安全性等各种因素，始终走不出实验室，难以大规模量产和普及。 就现阶段而言，不管新能源行业怎么 “大放豪言”，电池一直都是挡在电动 汽车 发展道路上的绊脚石。 随着 2020 年特斯拉 “电池日” 上 4680 电池的正式亮相，电池界又多了一位 “新玩家”，更确切地说应该是 “搅局者”。按照马斯克以往的 “风格”，他每进入到一个行业必定会掀起一场腥风血雨。 电池占据整车成本的大头，那接下来特斯拉造电池的成本如何控制呢？这就不得不提到电池中的重要成分 —— 钴。这种原子序数为 27，在化学元素周期表中位于第 4 周期、第 Ⅷ 族的金属，是电池制造中必不可少的正极原材料（至少现阶段依然不可或缺）。 “电池行业对钴的消费量最大，占比超 50%。钴是活性物质，既能稳定材料的层状结构，又能减小阳离子混排，便于材料深度放电，从而提高材料的放电容量、循环性和倍率性能；镍可以提高材料活性，提高能量密度。” 吴凡表示。 在自然界矿石中，钴和镍是共生的关系，其占比为 1:10，即从矿石里面提纯一份的钴，同时能得到十份的镍。“但钴这种元素存在两个缺点。第一，钴具有一定的毒性；第二，钴的提纯比较困难。” 冯旭宁说道。 另外，钴资源的缺乏也是不利因素。“目前全球已探明陆地钴资源量约 2500 万吨，储量 720 万吨，主要集中在刚果（金）、澳大利亚和古巴，三国储量之和占全球总储量的 68%。刚果（金）储量居世界首位，达 340 万吨。” 吴凡指出，“钴由于其稀缺性已成为战略性稀有金属资源，同时其供应链结构集中化、不稳定，已成为新能源 汽车 发展的掣肘。” 产量少 + 提纯难造成了钴的价格不断攀升，也就造成了电池的成本居高不下。 那电池能不能 “无钴” 呢？答案是可以的。 “低钴” 乃至 “无钴” 既是特斯拉接下来要走的路线，也是需要克服的难题，这一点马斯克在 2020 年 “电池日” 上也已经明确表态。据了解，早在 2019 年 1 月，Jeff Dahn（现为特斯拉首席科学家）曾发表过一篇论文指出锂电池正极材料 “无钴高镍” 的可行性，毕竟镍在自然界比钴多得多，提纯也相对容易一些。无疑，正是 Jeff Dahn 的观点极大地坚定了马斯克要造 “无钴电池” 的信心。 谈及 Jeff Dahn，冯旭宁告诉 DeepTech：“关于锂电池材料尤其是无钴材料，Dahn 先生课题组很早就开展研究了。Jeff Dahn 先生是少数经历过锂电技术全程研发且仍在技术一线的科学家之一。” 对于电池 “无钴” 化，冯旭宁表示：“‘低钴’和‘无钴’是未来电池正极材料的发展趋势。但在电池‘无钴’化的同时需要添加其他的离子来替代钴在电池充放电过程中的作用。” 尽管特斯拉现阶段的电池还离不开钴，但纵观过往其历代电池，其钴含量正在不断降低，最终实现电池 “无钴” 化指日可待。 作为新能源 汽车 领域的 “大哥”，特斯拉知晓固态电池和石墨烯电池的优势，但未来几年特斯拉之所以不打算做固态和石墨烯，而是继续 “深耕” 锂离子电池，原因主要归结为两点。 第一，受制于供应商的电池技术。 在电池供应方面，特斯拉和松下、LG 化学、宁德时代都有合作，特斯拉 汽车 所使用的 1865 电池和 2170 电池皆由他们提供，但受制于性能、安全、规模、价格等综合因素的权衡，圆柱形锂离子电池是目前供应商能给特斯拉的最好电池。 显然，这离特斯拉心目中的 “理想电池” 还有一些差距。既然自己想要的电池供应商给不了，于是特斯拉便走向了 “自研 + 自产” 电池的道路。 所谓 “术业有专攻”，特斯拉在电池领域的积累显然不如松下等老牌供应商，故此其花重金请来锂离子电池界的祖师级人物 ——Jeff Dahn 亲自挂帅担任特斯拉首席科学家，开发 “不可能三角” 电池，这是一种能量密度更高、充电速度更快、制造成本更低的锂离子电池。 Jeff Dahn 也不辱使命，时隔一年便交上一份让马斯克满意的答卷，尽管 4680 电池还存在些许不足，但它的综合性能很好地提振了行业信心。 从第三方采购、到合资建厂、再到自研自产，特斯拉在电池道路上俨然走出了自己的步伐。可以预见，未来几年内特斯拉将继续沿着现有成熟路线使用圆柱形电池的多并联方案、继续开发大容量锂离子电池。 第二，特斯拉的商业策略。 特斯拉归根结底是一家车企，是企业就要盈利，想盈利就要控制成本。固态电池虽然无比优越，但现阶段不论是技术还是工艺都存在瓶颈，完全不具备规模化量产的可能，而且成本高高在上，没有商业化的实用价值。在特斯拉看来，使用成熟的锂离子电池是当下更优的解决方案。 特斯拉的商业策略是 “低价抢市场” ，以加速全球市场拓展。随着苹果等互联网大厂也宣布要造车，现阶段特斯拉要做的是尽快抢占市场，靠的就是低价。对广大消费者而言，价格依然还是众多因素中最优先考虑的，比如之前特斯拉宣布降价时，官网一度瘫痪、线下门店挤得水泄不通。 和国内一些新能源车企不惜代价大搞 “千公里续航” 不同，特斯拉更看重电池的成本。前有电池技术瓶颈的掣肘，后有来自互联网大厂的围攻，该公司现在最想做的是尽快降低电动 汽车 价格，以更低的价格占领市场，让市场快速达到饱和。 对于特斯拉 4680 电池，吴凡表达了自己的看法：“特斯拉主要通过优化电池结构件、简化电池生产工艺流程等，提升电池标准化生产能力，达到降低电池成本的目的。这种通过增加单块电池体积来增加电池包能量密度的技术路线或思路在本质上与比亚迪的刀片电池、还有宁德时代的 CTP 技术是一致的。” 电池并联太多会导致出现发热、效率低等不良影响，大容量电池可以有效减少并联数，系统管理层面也变得更加简单。“大容量化是整个新能源 汽车 电池行业的趋势。” 冯旭宁表示。 单看特斯拉的 PPT 介绍，4680 电池的性能表现着实令人赞叹，仿佛再次让业界看到了希望。然而在业内人士看来，这种电池并没有达到预期。 严格意义来讲，特斯拉 4680 电池更像是一次 “优化升级”，而非 “革命”。 另外，特斯拉的这种圆柱形锂电池容量也有 “天花板”。“主要是因为圆柱形锂电池需要卷芯，外围部分性能较好，但越靠近核心位置曲率越大，易出现应力集中的现象，造成活性物质不可用，进而形成浪费。所以这种电池容量是有上限的，没办法做得特别大。” 冯旭宁表示。未来，转向其他电池，比如业界普遍看好的固态电池或许是更好的出路。 目前的固态电池和石墨烯电池其实正处于过渡阶段，即固态电解质和石墨烯还只是属于 “添加剂” 性质。“比如在锂离子电池中添加固体电解质以增加能量密度、提升安全性；在负极添加石墨烯以增强导电性、提高充电速度。两者添加得越多，性能就越好，但相应的工艺难度和制造成本也就越高。” 冯旭宁说道。 显然，不论是固态电池还是石墨烯电池，现阶段都不具备量产的可能性。 电池直接关系到 汽车 整体性能表现，而日常驾驶让车主感到焦虑的，除了续航里程，再就是充电速度。 “续航里程对应的是电池的能量密度，充电速度对应的是电池的功率密度。” 冯旭宁说，“想提高能量密度可以电极做得厚一些，想提高功率密度可以电极做得薄一些，但这两者是矛盾的，这就需要电池厂商在设计电池的过程中去综合考量，进行权衡和取舍。” 他补充道。 “快充技术，电池厂商和车企各负责一半。” 冯旭宁表示。电池厂商能做的是 “电池先天的” 导电能力强，比如添加导电剂，控制电芯预紧力，将电极做成梯度电极或薄电极等；车企能做的是 “电池后天的” 充电过程中对电流进行控制，让电池充电过程中不过热，不损坏电极材料。“目前，行业的目标是充电 5 分钟能跑 200 公里。” 他说。 特斯拉的快充技术业内领先，其采用 “高功率直流电” 模式，充电功率达 40kW 以上，比如特斯拉超级充电站可以实现 30 分钟充一半，80 分钟完全充满。在充电站 / 桩建设方面，特斯拉更是走在世界前列。据统计，特斯拉在全球范围拥有超过 2 万个超级充电桩。在中国大陆拥有 750 余个超级充电站、6000 余个超级充电桩，覆盖 300 个以上的城市。 关于电动 汽车 淘汰下来的废旧电池污染问题。冯旭宁表示，“废旧电池是污染源主要指的是重金属污染，比如铅酸电池里的铅，镍镉电池里的镉，而锂离子电池内部的原料毒性较低（锂离子电池中钴的占比大约为 1-3%，），一般不会对土壤造成重金属残留。” 马斯克在 2020 年 “电池日” 上也曾公开表示：“废旧电池可以进行收回利用，用于低配车型或者太阳能等有储能需求的领域，这样也能进一步降低电池的使用成本。” 对此，冯旭宁说：“电池回收一般分两类，一类是在高负荷下用完之后，到低负荷下继续使用，比如一些 5G 通信基站可以利用电动 汽车 淘汰下来的旧电池；另一类就是直接报废，通过物理法破碎成原材料，分离出电池中的有用金属，比如铜、铝、钴、镍等，再重新送回电池厂加工成电池，这方面回收效率非常高，接近 100%。” 与此同时，吴凡也指出了现阶段电池回收产业存在的一些问题：“第一，电池厂商多且使用很分散，废电池收集缺乏有效渠道；第二，电池剩余寿命以及回收价格评估难；第三，电池拆解难度大，且存在一定安全隐患；第四，电池回收涉及行业众多，商业模式需要进一步 探索 和完善。” 以往，人们对于传统燃油 汽车 的认知仅仅停留在 “硬件” 层面，认为 汽车 只是一个代步工具而已。到了如今的新能源 汽车 时代，人们发现原来 汽车 也是可以搭载操作系统，可以实现智能化的。 在电动 汽车 的硬件中，电池无疑是最为核心的部分；而在软件中，全自动驾驶是核心，比如特斯拉的 FSD（Full Self-Driving）在业内就像标杆一般的存在，且收费不菲。据了解，目前特斯拉 FSD 套件在中国的售价高达 万元。“特斯拉的业务布局将会变得和苹果越来越像，未来，特斯拉可能会变成一个服务商，不单靠卖 汽车 硬件，更多的是通过软件服务实现盈利。” 一位业内资深人士告诉 DeepTech。 从电动 汽车 硬件到车载系统软件，从电池技术、整车组装，到 FSD 以及软件生态，不难看出，特斯拉正在下一盘大棋。
锂电池正极材料主要为含有锂的过渡金属化合物, 并且以氧化物为主。主要分为锂钴系( LiCoO2 )、锂镍系( LiNiO2 )、锂镍钴二元系（Li（Co,Ni）O2）、锂镍钴锰三元系( Li（Co,Ni,Mn）O2 ) 、 锂锰系( LiMn2O4 ) 、 锂铁系( LiFePO4 ,磷酸锂铁) 等。
各国对锂电池的高度重视掀起了一场能源革命和产业革命，这也将改变未来世界汽车竞争格局 首先锂电池在新能源汽车产业中利润最高。市场容量最大。安全行极高，具有投资价值，锂电池产业链下的电池、电极材料将具有制造业特点,盈利能力将呈现下降趋势;上矿产品、冶炼等将具有采掘业特点,盈利能力随原材料价格波动。当这些优点与汽车结合，新能源汽车时代由此开启了 其次有券商研究员认为，整个锂电池产业链是新能源汽车投资的重点，而锂电池正极材料将成为这条产业链中最耀眼的明珠。而且中国发展锂电汽车既有可与发达国家竞争的技术优势，又有发达国家所没有的资源优势和市场优势，是中国在激烈的国际竞争中难得的一次历史机遇。资本市场中，锂电池所驱动的新能源汽车产业链更成为一场财富盛宴。整车制造厂商福田汽车（600166,股吧）（600166），拥有上锂资源的西藏矿业（000762,股吧）（000762），锂电池组件及电解液供应商杉杉股份（600884,股吧）（600884）、中国宝安（000009）、江苏国泰（002091,股吧）（002091），包括另一条技术路径——镍氢电池生产厂商科力远（600478）等各相关上市公司股价均涨幅巨大 再者以丰田的镍氢混合动力汽车Prius为代表的日本，在新能源汽车领域起步较早，其厂商的战略核心就是发展混合动力车。2006年，混合动力车的市场份额占日本全部新能源汽车销量的％。 从美国2001—2007年混合动力汽车销售数据来看，其复合增长率达到％，处于高速增长期。奥巴马就任后宣布，到2015年，美国混合动力汽车的保有量将超过100万辆。 科技部部长万钢在“2008中国绿色能源汽车发展高峰论坛”也给出了中国新能源汽车的发展目标——到2012年，国内有10％新生产的汽车将是节能与新能源汽车。 照此推算，2008年中国汽车产量约为930万辆，即使2012年产量增至1000万辆，新能源汽车也将达到年产100万辆的规模。 按每辆混合动力轿车电池成本5万元，正极磷酸铁锂材料50公斤，负极材料40公斤，电解液40公斤计算。100万辆混合动力汽车将带动5万吨正极材料，4万吨负极材料，4万吨电解液的需求。 对于国内电池厂商而言，这将是一个总产值500亿元的大蛋糕。而如果按客车计算，这一数值还将提高3倍——每辆混合动力客车的电池需求是轿车的 4倍。目前，中国汽车保有量已达到万辆，如果未来每年有10％的车辆更换动力电池，又将创造出一个更具想象空间的市场。《证券市场周刊》调查发现，国内新能源汽车产业链各环节相互制约，甚至存在断链。在混合动力汽车产业链上，电池、电机、动力系统生产企业才是最大的受益者。对于整车厂商而言，既然无法追求高利润，市场占有率就成为首要争夺目标。从某种意义上说，谁能率先实现新能源电池在汽车上的产业化应用，谁就能占据先机。磷酸铁锂电池方面缺乏资金批量生产业内人士认为，锂电池行业的市场竞争力很大程度依赖于长期发展的技术积累，而非单纯的资金投资，同样，锂电池材料具有较高的技术壁垒，各细分行业领先企业大多为较早进入行业者。掌握了规模化生产磷酸铁锂和磷酸铁锂电池技术的企业，将在未来的电动汽车产业竞争中处于领先地位。比亚迪梦想照耀现实业内人士介绍，锂电池产业链中，市场容量最大、附加值最高的是正极材料，占锂电池成本的30％以上，根据材料不同，毛利率低则15％，高则70％以上。 我国小功率锂电池早已产业化，形成上下结合的完整产业链，电池产品超过世界市场的1/3，与日韩形成三足鼎立之势。而我国有相对富饶的锂矿资源，还有制造成本优势，在新能源汽车制造领域完全有可能迅速赶超日韩。（太多了你自己在看一道）
尖晶石型锰酸锂正极材料的合成及电化学性能研究 在线阅读 整本下载 分章下载 分页下载 【英文题名】 The Study of Electrochemistry Performance for Synthesize Spinel Li-Mn-O Materials on the Lithium-ion Battery 【作者】 卢星河; 【导师】 唐致远; 【学位授予单位】 天津大学; 【学科专业名称】 应用化学 【学位年度】 2005 【论文级别】 博士 【网络出版投稿人】 天津大学 【网络出版投稿时间】 2007-07-10 【关键词】 锂离子电池; 正极材料; 尖晶石型锰酸锂; 阴阳离子复合掺杂; 包覆改性; 电化学性能; 高温性能; 【英文关键词】 lithium-ion battery; cathode material; spinel LiMn_2O_4; doping; surface modification; electrochemical performance; elevated temperature performance; 【中文摘要】 锂离子电池因质量比容量大、平均开路电压高和循环寿命长等优点已广泛应用于移动、便携式电器。目前锂离子电池的正极材料主要采用层状钴酸锂。由于钴资源的短缺、大电流充放电和高温环境使用的不安全因素,研究开发新一代高性能正极材料成为一项重要课题。尖晶石型LiMn_2O_4材料具有原料资源丰富、易制备和环境友好等优点,特别是因为充放电电压高、循环性能好、比容量高和使用安全等优良的电化学性能,该材料成为本研究的重点: 本研究首先对尖晶石型锰酸锂正极材料的研究现状、存在问题和解决方案等进行了较系统的探讨,先后制定了多项改善和提高尖晶石型锰酸锂电化学性能的措施。合成研究了分别和同时掺杂阴、阳离子正极材料Li_()M_xMn_(2-x)Q_yO_(4-y)的充放电比容量、循环性能、高温(55℃)性能和大电流充放电性能等,表征了合成材料的晶体结构、表观形态、粒径及粒径分布规律,进一步探讨了表面包覆(修饰)改性和电解液及其组成对锰酸锂正极材料的作用和影响。 以实验室合成的尖晶石型锰酸锂LiCo_xCr_yMn_(2-x-y)O_4材料为母体材料,以SiO_2... 【英文摘要】 The lithium-ion batteries have been widely used in portable electronic products such as, cell phones, notebook computers and cameras because of its high-capacity ( times as large as the Ni-Cd batteries and times as large as the Ni-MH batteries) and high average open voltage, that is, V in contrast with the of Ni-MH batteries. In the near future, the lithium-ion battery will used in the motive-batteries. As key parts of the battery,the anode and cathode have become one of the hott... 【DOI】 CNKI:CDMD: 【更新日期】 2007-07-25 【相同导师文献】 导师：唐致远 导师单位：天津大学 学位授予单位：天津大学[1] 高飞.锂离子电池正极材料LiFePO_4的合成与电化学性能研究[D]. 中国博士学位论文全文数据库,2008,(08)[2] 黄娟.循环冷却水新型加酸工艺配方的研究[D]. 中国优秀硕士学位论文全文数据库,2008,(08)[3] 常林荣.铝轻型板栅在铅酸电池中的应用及聚苯胺的电化学合成[D]. 中国优秀硕士学位论文全文数据库,2008,(08)[4] 穆雪梅.新型高效氧电极催化剂的研究与评价[D]. 中国优秀硕士学位论文全文数据库,2008,(08)[5] 邱瑞玲.固相法合成LiFePO_4及其改性研究[D]. 中国优秀硕士学位论文全文数据库,2008,(08)[6] 王倩.柔性纸质电池的研制[D]. 中国优秀硕士学位论文全文数据库,2008,(08)[7] 赵松鹤.锂离子电池负极材料钛酸锂的研究[D]. 中国优秀硕士学位论文全文数据库,2008,(08)[8] 张联忠.两种锂离子电池负极材料的研究[D]. 中国优秀硕士学位论文全文数据库,2006,(08)[9] 肖成伟.车用锂离子动力电池循环性能的研究[D]. 中国优秀硕士学位论文全文数据库,2007,(08)[10] 樊勇利.锂离子电池正极材料氧化镍钴锰锂的研究[D]. 中国优秀硕士学位论文全文数据库,2007,(08)
锂离子电池的负极是由负极活性物质碳材料或非碳材料、粘合剂和添加剂混合制成糊状胶合剂均匀涂抹在铜箔两侧，经干燥、滚压而成。锂离子电池能否成功地制成，关键在于能否制备出可逆地脱/嵌锂离子的负极材料。一般来说，选择一种好的负极材料应遵循以下原则：比能量高;相对锂电极的电极电位低;充放电反应可逆性好;与电解液和粘结剂的兼容性好;比表面积小(<10m2/g)，真密度高(>);嵌锂过程中尺寸和机械稳定性好;资源丰富，价格低廉;在空气中稳定、无毒副作用。目前，已实际用于锂离子电池的负极材料一般都是碳素材料，如石墨、软碳(如焦炭等)、硬碳等。正在探索的负极材料有氮化物、PAS、锡基氧化物、锡合金、纳米负极材料，以及其他的一些金属间化合物等。
电化学研究的硅基复合材料具有大容量和良好的循环稳定性forrechargeable锂离子电池负极材料
我知道有两本刊物（材料科学、材料化学前沿）上面的文献都是可以免费查阅的
碳纤维材料!~
当受拉杆件的应力达到屈服极限或强度极限时，将引起塑性变形或断裂。长度较小的受压短柱也有类似的现象，例如低碳碳钢短柱被压扁，铸铁短柱被压碎。这些都是由于强度不足引起的失效。（百度百科--压杆稳定）
看起来很脆弱，是石墨化的效果，其实是为了更好的保护车手。F1赛车材料主要是碳纤维材料。碳纤维的最大缺点就是昂贵。所以除了航空航天用的到，剩下的基本就是F1赛车了 .模具诞生之后，接下来就是手工打造的时间。熟练的技师将碳纤维一层一层地贴在模具上，车身每一个部位因为承受的压力不同而贴上不同层数的碳纤维与不同的排列方向。每一层碳纤维的排列方向决定了车身承受压力将往哪一个方向分散。所以这个程序需要谨慎地执行，吹风机与手术刀此时都会派上用场。F1赛车的碳纤维层数平均是12层，另外在最中央的部分铺设蜂巢结构的铝合金。 费时的碳纤维铺设工作结束后，最后一步就是将车身送进高温与高压的特别烤箱中让每一层碳纤维紧密结合。这样的程序要反复进行三次后一具车身才能算大功告成。烤出第一具车身需费时六周，不过第一具车身制造完成后，后来的车身只需一周即可出厂。碳纤维 高性能型碳纤维及其他碳材料之制作研究 有关各项碳材料之研究发展，是由国科会专题研究计划对碳纤维之制程、微细构造及机械性质所投入之研究。而逐渐发展衍生出各项碳材料之研究，其项目如下： 一、高强力型碳纤维之研究发展 碳纤维之研究及其制程发展，目前共分两个系统，分别是以PAN纤维及Pitch纤维 为原料研制碳纤维。在PAN系碳纤维此一系统中，是以PAN纤维为原料而研制高性型碳纤维，研究制成中各种制作参数之变化对碳纤维之机械性质及表面性质之影响。目前已能控制高强力型碳纤维、高系数型碳纤维及航太级碳纤维之制造技术，在Pitch系碳纤维方面，主要是著重在原料纯化及中间相(meso-phase)之成 长阶段，希望透过中间相之控制而制造出高系数型之碳纤维。而研究中间相形成 之成长因素不只可以利用在碳纤维方面，更可以推广进入碳薄膜及高性能型之碳电极研究，在此方面已有四十余篇之研究论文发表。 二、活性碳纤维之研究发展 活性碳纤维主要用途是应用於饮用水之净化、各种废水及废气之处理、脱色及脱臭等处理。活性碳纤维之使用方式可以以纤维、布、毡及各种型状於实际应用。活性碳纤维的研究主要来自碳纤维的研究基础，因PAN系活性碳纤维中含有氮元素，此一元素对硫醇类具有良好之吸附效果，与其他原料比较起来又具有强力高之优点。在此研究中主要是透过制程之操控来分别制造micropore及mesopore的活性碳纤维，因此研究过程中，偏向於制程因素的变化对纤维空孔及吸附性的影 响。目前已能制出表面积在1000 m2/g以上之工业级、军事级及医药级活性碳纤维。目前之研究成果共发表了十余篇之研究论文及四项专利。 三、防火纤维之研究发展 PAN系防火纤维可耐到900℃，在火焰中不燃烧，不会产生有毒气体，且耐酸碱，因此，可以应用於各种防火用途，如防火衣物、隔热材、各种建材及装饰材料。 PAN系防火纤维可以说是研究碳纤维的副产物，在制造碳纤维的中间过程-氧化工程中所制造出来之氧化纤维便具有防火性，因此，如何在此阶段中来提高其防火 性，并且不损害其可纺性，防火纤维之防火性与可纺性相互有一反比关系。因此，如何达一平衡点是一重要课题。在此研究中，除利用SEM，TEM及X光绕射仪 导出一氧化纤维之微细构造模型；同时，在X光绕射仪上面加装一加热装置来观 察PAN纤维在加热过程中之微结构变化，并计算出其结晶转位活化能。目前之研究成果共发表了十余篇相关之研究论文及三项专利。 四、碳/碳复合材料之研究发展 碳/碳复合材料目前主要之用途在各型飞弹喷嘴、飞机之煞车片及人造骨等。碳/ 碳复合材料中纤维与基材的界面性质一直是个问题点，补强纤维的种类，其表面 性质与基材之关系是研究重点。因为碳/碳复合材料成本昂贵，无法大量使用，因此，目前正致力研究开发低成本之碳/碳复合材料，以便应用於各型车辆之煞车片。 五、导电性碳薄膜之研究发展 碳薄膜是二次锂电池当成为正极或负极的重要材料，碳薄膜的种类决定了二次锂电池的功率，充放电效率及寿命。早期的研究中利用PAN为原料所制出来的碳薄膜制成电池后，其电容量经工研院工材所的测试为250mAh/g，在最近的研究中利用pitch的masophase的控制已能制出电容量为500mAh/g之碳电极。目前的研究重点在於了解碳层的排列、顺向、微结构、内部孔洞的大小与电容量的关系，进而了解充放电效率与充电次数的关系，目前已有一项专利。
碳纤维，等合金材料。
电池内正极壳一端填充由氧化银和石墨组成的正极活性材料,负极盖一端填充锌汞合金组成的负极活性材料,电解质溶液为KOH浓溶液. 电极反应式如下： 负极：Zn + 2OH－ －2e－=== ZnO + H2O 正极：Ag2O + H2O + 2e－ === 2Ag + 2OH－ 你说的是正极的反应.
用于无枝晶耐用锌电池的工程化多功能分子骨架层
第一作者：于铧铭
通讯作者：陈月皎*，陈立宝*
单位：中南大学
近日，来自中南大学的陈立宝、陈月皎课题组等人，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Engineering multi-functionalized molecular skeleton layer for dendrite-free and durable zinc batteries”的观点文章。 该观点文章采用一种可扩展、低成本的浸涂技术，整合硅烷疏水性和有机磷酸锌优异亲锌性，在锌负极上构建了超薄多功能层(MTSi-Hedp-Zn)，实现锌负极无枝晶稳定长循环。DFT计算和COMSOL模拟结果表明，在分子骨架的顶部有丰富的O-Si-CH3基团作为疏水嵌块，这是阻止溶剂化水腐蚀的影响因素。主链有机磷酸块上的亲锌P=O键作为Zn2+快速吸附和输运动力学的吸引区。
同时，这种组合使锌金属上的表面首选（002）晶体面，使界面电场协同均匀化，在没有枝晶和副反应的情况下优先平坦生长。因此，MTSi-Hedp-Zn电极在1和10 mAcm-2时循环寿命超过2000 h，极化电压分别为和 mV。与正极组装的全电池(CNT/MnO2和五氧化二钒)都比裸锌负极有更高的容量保持率。硅烷-有机磷酸的疏水亲锌多功能界面为设计无枝晶和无腐蚀的锌电极提供了重要的构建策略。
要点一：MTSi-Hedp-Zn的设计和界面组成研究
XPS能谱结果可以证明，MTSi中的Si-OH基团可以与Hedp分子中的P-OH基团发生反应。因此，MTSi、Hedp和Zn之间存在较强的化学键合，从而对锌箔具有良好的粘附强度。DFT结果表明，通过络合和热固化工艺得到的MTSi-Hedp具有显著的电子亲和性和大量亲锌位点。这有利于锌离子在纳米膜层上的均匀、快速沉积，使MTSi-Hedp-Zn负极在速率能力、可逆性和循环性方面具有优异的电化学性能。
图2 (a) 裸锌箔和 (b) MTSi-Hedp-Zn 电极的 SEM 图像。 (c) MTSi-Hedp-Zn 电极的 EPMA 图像和相应的元素映射。 (d, e) MTSi-Hedp-Zn 电极的 XPS 分析。 (f) MTSi-Hedp-Zn 电极的 FTIR 光谱。 (g) 计算的三个有机分子的前沿分子轨道能量。 (h) MTSi-Hedp-Zn 的计算 ESP 分布。
要点二：MTSi-Hedp-Zn耐腐蚀性研究
有疏水功能块的MTSi-Hedp保护层可以有效抑制锌金属负极在水系电解质中的腐蚀。由于其自身具备大量的疏水功能块（O-Si-CH3基团），可以有效实现锌负极表面去溶剂化，阻止活性水分子与锌负极的直接接触。采用飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)和差分电化学质谱(DEMS)评估其抑制析氢的能力，极少的副产物堆积和氢气析出量表明，MTSi-Hedp-Zn负极可有效抑制锌负极腐蚀。
图3 电极在 2 M ZnSO4 水溶液中浸泡一周的 SEM 图像：（a）锌箔和（b）MTSi-Hedp-Zn。 (c) Zn 和 MTSi-Hedp-Zn 电极在 2 M ZnSO4 水溶液中浸泡一周后的相应 XRD 图谱。 (d) 裸 Zn 和 (e) MTSi-Hedp-Zn 电极上电解质的接触角。 (f) 裸 Zn 和 MTSi-Hedp-Zn 电极在 2 M ZnSO4 水溶液中的线性极化曲线。 (g) 裸 Zn 和 (h) MTSi-Hedp-Zn 电极的 TOF-SIMS 映射图像（ZnO+ 物质）。 原位 DEMS 曲线显示在第一个循环期间释放 H2 气体：(i) Zn//Zn 和 (j) MTSi-Hedp-Zn//MTSi-Hedp-Zn 对称电池。 (k) Zn//Zn 和 MTSi-Hedp-Zn//MTSi-Hedp-Zn 电池在经历交替循环（1 mA cm-2 和 1 mAh cm-2）和静止过程时的电化学性能。
要点三：锌负极的稳定性和电化学性能
基于上述发现和分析，MTSi-Hedp-Zn电极在疏水功能块和亲锌构建块的多功能作用下表现出优异的电化学性能。MTSi-Hedp-Zn在2000小时内保持了优越的循环稳定性，并且始终保持着极低的极化电压，证明了其作为ZIBs的高性能锌负极的有效性。此外，在倍率性能测试中，MTSi-Hedp-Zn负极具有优异的循环可逆性和结构稳定性。在整个循环中，均能保持较小的极化电压和较低的能垒，这表明电极表面没有阻碍离子传导的有害副产物的积累，从而实现了极其可逆的镀锌/剥离。
图4 (a) 对于 1 mAh cm-2，对称电池在 1 mA cm-2 下的电流-电压曲线。 (b) 对称电池在第 25 次循环时的放大电压曲线。 (c) 对称电池在 到 10 mA cm-2 的不同电流密度下的倍率性能，容量为 1 mAh cm-2。 （ d ）在逐步增加的电流密度下对称电池的潜在演变。 (e) Zn//Zn 和 MTSi-Hedp-Zn//MTSi-Hedp-Zn 对称电池在 1 mA cm-2， mAh cm-2 的长期电流-电压曲线。 (f) 原位光学显微镜观察 (f) 裸 Zn 和 (g) MTSi-Hedp-Zn 电极在 10 mA cm-2 下的 Zn 沉积。
要点四：无枝晶锌沉积行为
形成的MTSi-Hedp-Zn层可以在丰富的表面疏水O-Si-CH3基团下阻断水，促进Zn2+溶剂化鞘的去除。这种包含大量亲锌-Zn-O-P=O基团的保护层也促进了锌离子的迁移，为锌的沉积提供了更多的亲锌位点和形核位点。MTSi-和hedp-结构的协同效应使稳定的循环和快速的Zn2+动力学具有平坦的沉积形态。
图5. 50 次循环后电极的 SEM 图像：（a，b）裸 Zn； (c, d) MTSi-Hedp-Zn。 50 个循环后电极的光学表面轮廓测量图像：（e）裸锌和（f）MTSi-Hedp-Zn。 在 (g) 裸 Zn 和 (h) MTSi-Hedp-Zn 电极上沉积过程中 Zn 离子通量分布的模拟。 (i) 在裸锌箔（上）和 MTSi-Hedp-Zn 电极（下）上镀锌的示意图。
要点五：全电池的电化学性能研究
与CNT/MnO2正极材料匹配后，MTSi-Hedp-Zn//CNT/MnO2电池的放电容量可保持在194 mAh g-1,300次循环后可保持在. 与商用V2O5材料匹配后，全电池在3Ag-1条件下进行2000次循环后，也提供了稳定的循环和的高容量保留率。同时，MTSi-Hedp-Zn负极也在倍率性能测试和自放电测试中表现出极大的优势。
图5 (a) 使用 CNT/MnO2 正极在 1 A g-1 的电流密度下与裸 Zn 和 MTSi-Hedp-Zn 电极配对的全电池的循环比较。 在 2 C 下 100 次循环后阳极的 SEM 图像：（b）裸锌和（c）MTSi-Hedp-Zn。 (d) 循环前使用 CNT/MnO2 作为阴极材料的全电池的 EIS 曲线。 (e) mV s 1 时的 CV 曲线。 (f) 自放电曲线。 (g) Zn//V2O5 和 MTSi-Hedp-Zn//V2O5 全电池在 3 A g-1 电流密度下的长期循环性能。 (h) MTSi-Hedp-Zn//CNT/MnO2 软包电池的照片。
Engineering multi-functionalized molecular skeleton layer for dendrite-free and durable zinc batteries， .
【通讯作者简介】
陈月皎 副教授简介：中南大学粉末冶金研究院副教授。2015年获湖南大学博士学位，之后在香港理工大学从事博士后研究（2016-2018年）。她的研究兴趣集中在高性能电池，如锌/锂离子电池和柔性能源设备。
陈立宝 教授简介：中南大学粉末冶金研究院教授。2007年毕业于中国科学院上海微系统与信息技术研究所，获材料物理与化学博士学位。他的研究方向是特种锂电池和储能系统及其关键材料，包括宽温域锂离子电池、高比能锂金属电池和锌离子电池。
【第一作者介绍】
于铧铭 ：中南大学粉末冶金研究院2020级硕士研究生。主要从事水系锌离子电池和电容器的材料设计和性能优化，包括锌负极表面修饰、结构试剂和电解液优化等。
水系锌离子电池电解液是水溶液，水系锌离子电池使用水溶液作为电解液，具有导电性高、安全不易燃、制备相对简单的特点，近年来引起人们的关注。由于锌的元素丰度高、价格低、理论密度高达825 mAh/g和较低的氧化还原电位()，被认为有望取代锂离子电池。
水系锌基电池具有安全性高、成本低、能量密度高等优点，在便携式电子设备、电动汽车和大规模储能领域具有应用前景。
目前，水系锌基电池面临的主要挑战为：锌负极一侧锌的不均匀沉积导致枝晶生长与脱落，影响锌基电池的循环稳定性；水系电解液离子传导率随着温度的降低而急剧下降，使得该体系电池在低温下无法运行，限制水系锌基电池应用范围。
该电解液由水（H2O）、乙二醇（EG）和硫酸锌（ZnSO4）组成，在低温下具有高的离子传导率（-40℃时为）。研究通过实验并结合理论计算，阐明Zn2+-EG分子间的相互作用，能显著提高EG-H2O分子间氢键相互作用，从而破坏电解液中H2O分子间连续的氢键，降低混合电解液的凝固点，在低温下实现Zn2+快速传输。
研究发现，采用该混合电解液构筑的锌离子混合超级电容器（ZHSC）和锌离子电池（ZIB），在-20℃均展现出高能量密度（ZHSC为36Wh/kg，ZIB为109Wh/kg）、高功率密度（ZHSC为，ZIB为）和长循环寿命（ZHSC为5500个循环，ZIB为250个循环）的特点。