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重磅！2019年10大讓鋰離子電池性能飆升的新型材料

2019-07-15 17:00:16

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被稱為史上“最嚴”的國六標準即將實施，新能源汽車再遇發(fā)展良機。


汽車向電氣化轉(zhuǎn)變，鋰離子電池憑借循環(huán)壽命長、能量密度高和綠色環(huán)保等優(yōu)勢，在動力電池領(lǐng)域展現(xiàn)出強勁的發(fā)展勢頭。但新能源汽車要想取代燃油汽車，效率和安全是兩大關(guān)鍵問題，提升鋰離子電池性能，正是解決途徑之一。


實現(xiàn)技術(shù)升級離不開新材料。本次，選取了今年公布的10項從材料入手，改善鋰離子電池性能的技術(shù)進展，分享給大家，一起來看看鋰離子電池性能將實現(xiàn)哪些升級吧！


*以下以技術(shù)突破報道時間倒序排列，不分先后。


▌新型鹵素轉(zhuǎn)換插層化學 打造高能鋰離子水系電池
材料：石墨+鹵素轉(zhuǎn)換插層化學


簡介：5月27日，馬里蘭大學在石墨中引入鹵素轉(zhuǎn)換插層化學，創(chuàng)新研發(fā)復(fù)合電極，并將這一陰極與鈍化石墨陽極相結(jié)合，打造出能達到4V的鋰離子水系全電池，能量密度為460 Wh/kg，庫侖效率約為100%。電池基于負離子轉(zhuǎn)換-插層機制，結(jié)合高能量密度的轉(zhuǎn)換反應(yīng)，具有插層的優(yōu)良可逆性，提高水系電池的安全性。

突破點：這種電池從根本上不同于“雙離子”電池。雙離子電池將復(fù)雜陰離子，在低填充密度下，可逆性插入到石墨中，穩(wěn)定的陰離子不發(fā)生氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致容量低于120mAh/g。新型全電池的能量密度約為460 Wh/kg，超過最先進的非水液態(tài)鋰離子電池（考慮到電解質(zhì)質(zhì)量后，其能量密度仍能達到304Wh/kg）。


▌新型高熵儲能材料鋰儲存性能和循環(huán)性能強
材料：新型高熵儲能材料


簡介：5月21日，德國卡爾斯魯厄理工學院提出一種適合儲能應(yīng)用的新型高熵材料，研究人員以多陽離子過渡金屬基高熵氧化物為前體，LiF或NaCl為反應(yīng)物，用簡易機械化學方法，制備多陰離子和多陽離子化合物，從而生成鋰化或鈉化材料。該研究成功合成一種具有巖石鹽結(jié)構(gòu)的氟氧基正極活性材料，適用于下一代鋰離子電池應(yīng)用。

突破點：受益于熵穩(wěn)定，新材料表現(xiàn)出更強的鋰儲存性能，以前所未有的方式改變組成元素，提升循環(huán)性能。且研究采用的方法可以減少電池正極中有毒和昂貴元素，同時不明顯影響能量密度。


▌我國合成超高容量鋰電有機正極材料
材料：環(huán)己六酮


簡介：5月15日，中國科學院院士、南開大學化學學院教授陳軍團隊設(shè)計合成了一種具有超高容量的鋰離子電池有機正極材料——環(huán)己六酮，放電比容量可達902mAhg-1。此外，由于環(huán)己六酮在高極性的離子液體中的溶解度較低，使得其在離子液體基的電解液中具有較好的循環(huán)性能，組裝的電池體現(xiàn)高容量和長循環(huán)壽命等特征。

突破點：此類有機正極材料展現(xiàn)了鋰離子電池目前所報道的最高容量值，刷新了鋰離子電池有機正極材料容量的世界紀錄。這項工作為高容量有機電極材料的設(shè)計、制備以及電池應(yīng)用提供了一種新的思路。以環(huán)己六酮為正極的鋰離子電池能夠?qū)崿F(xiàn)電池容量更高、壽命更長等優(yōu)勢，為將來電動汽車、儲能電網(wǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供支撐。


▌氮化硼納米涂層通過穩(wěn)定電解質(zhì)降低短路風險
材料：氮化硼納米涂層


簡介：5月7日，哥倫比亞大學通過植入氮化硼（BN）納米涂層穩(wěn)定鋰離子電池中的電解質(zhì)，從而降低電池短路的風險。

突破點：鋰離子電池內(nèi)部的液體電解質(zhì)高度易燃，存在短路、起 火風險，但5至10納米的氮化硼（BN）納米膜即可用作保護層，從而隔絕金屬鋰和電解質(zhì)之間的電接觸，氮化硼（BN）納米膜在化學上和機械上又對鋰穩(wěn)定，電子絕緣水平高，所以其可在較大程度上提高鋰離子電池安全性。


▌新成果有望優(yōu)化鋰離子電池正極材料穩(wěn)定性
材料：層狀氧化物


簡介：4月29日，北京航空航天大學物理學院劉利民教授及其合作者在層狀金屬氧化物領(lǐng)域的研究取得進展，研究人員發(fā)現(xiàn)在層狀氧化物中氧的擴散遠比人們想象中的容易，氧離子在電池循環(huán)過程中的擴散流失導(dǎo)致材料內(nèi)部形成了大量的納米尺寸氣泡，同時引發(fā)材料晶體結(jié)構(gòu)的相變。成果已發(fā)布于《自然·納米技術(shù)》。

突破點：這一機制深化了人們對氧離子在層狀金屬氧化物中的產(chǎn)生和擴散規(guī)律的理解，為優(yōu)化鋰離子電池正極材料穩(wěn)定性提供了重要的研究基礎(chǔ)。


▌新型復(fù)合材料電極破解硅負電極體積效應(yīng)瓶頸
材料：多層硅/碳復(fù)合結(jié)構(gòu)


簡介：4月2日，西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室與西交大蘇州研究院及納米學院合作，基于原位可控凝膠化過程，制備出Cu導(dǎo)電添加劑及碳納米管增強的多層硅/碳復(fù)合結(jié)構(gòu)。其多層結(jié)構(gòu)特征和碳納米管增韌碳基體可有效釋放充放電過程中硅負極體積變化而產(chǎn)生的巨大應(yīng)力，Cu導(dǎo)電添加劑的引入提升了復(fù)合材料的導(dǎo)電性。成果已發(fā)布于《美國化學會·納米》。

突破點：該復(fù)合材料電極在1A·g-1的大電流密度下經(jīng)過900次循環(huán)后比容量達到1500 mAh·g-1；在4A·g-1的大電流密度下循環(huán)展示出1035mAh·g-1的比容量，充分表明在硅顆粒巨大體積變化過程中電極材料仍保持優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。該研究工作通過微觀組織和界面結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計解決了硅負電極體積效應(yīng)這一瓶頸問題，有望為新一代高性能鋰離子硅負極的開發(fā)和應(yīng)用提供重要參考。


▌非晶Al2O3涂層可提升鋰電池石墨陽極的快充性能
材料：非晶Al2O3涂層


簡介：3月25日，韓國漢陽大學研究人員利用非晶Al2O3實現(xiàn)石墨表面改良，非晶Al2O3涂層大幅提升了石墨等電池材料與蓄電池隔板的潤濕性。研究人員采用LiCoO2陰極及涂覆Al2O3的石墨陽極開展純電芯測試，經(jīng)試驗證明，引入非晶Al2O3后可提高石墨陽極材料的充電性能。成果已發(fā)布于《能源雜志》。

突破點：在4000mA/g的高充電速率下，表面改良型石墨的可逆容量約為337.1 mAh/g，其中Al2O3的重量占比為1%，在電量強度為100 mA/g時，相對應(yīng)的電容保有量約為97.2%。據(jù)研究人員預(yù)計，涂層提升了石墨電極整個表面區(qū)域的電解質(zhì)滲透率，從而提升石墨陽極材料的快充性能。該成果提升了鋰離子電池石墨陽極材料的快充性能表現(xiàn)。


▌多孔硅基復(fù)合負極(ASD-SiOC)循環(huán)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性優(yōu)異
材料：多孔硅基復(fù)合負極(ASD-SiOC)


簡介：3月13日，東華大學材料學院楊建平研究員課題組及江莞教授研究團隊在硅基鋰離子電池領(lǐng)域取得重要進展。研究團隊選取苯基橋聯(lián)的有機硅前驅(qū)體，采用溶膠-凝膠法和高溫煅燒兩步反應(yīng)，制備出一種新的多孔硅基復(fù)合負極(ASD-SiOC)，表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。成果已發(fā)布于《德國應(yīng)用化學》。

突破點：這種新的設(shè)計具有眾多優(yōu)點：活性基質(zhì)SiOx單元與碳可以實現(xiàn)原子尺度下的復(fù)合；碳三維網(wǎng)絡(luò)有效提高了材料的導(dǎo)電性；多孔結(jié)構(gòu)既緩沖了體積膨脹，又加快了鋰離子的傳輸；在后續(xù)的循環(huán)過程中，ASD-SiOC負極可以轉(zhuǎn)化為更加穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)高的庫倫效率。該研究表明碳分布對于保持復(fù)合負極材料的結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定性具有非常重要的作用。


▌長沙理工等合成高能鋰離子電池“雙重修飾”正極材料
材料：“雙重修飾”富鎳三元正極材料


簡介：2月14日，長沙理工大學副教授李靈均、廈門大學張橋保及其他合作者通過第一性原理計算為指導(dǎo)，同步合成了鈦摻雜、鑭鎳鋰氧化物包覆的“雙重修飾”富鎳三元正極材料，具有良好的熱穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及優(yōu)異的電化學性能。成果已發(fā)布于《先進功能材料》。

突破點：在60攝氏度高溫循環(huán)150次后，雙重修飾材料的容量保持率，比純相富鎳材料提高了近兩倍。此外，團隊還證明了“雙重修飾”可抑制正極材料二次顆粒內(nèi)微裂紋的產(chǎn)生與循環(huán)過程中微裂紋擴展，循環(huán)后富鎳材料二次顆粒間Ni3+的不均勻分布得到了有效抑制，顯著提升了材料二次顆粒的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。該成果為富鎳三元材料的開發(fā)和應(yīng)用提供了新思路和理論指導(dǎo)，有助于高能量密度鋰離子動力電池的發(fā)展。


▌硅納米粒子可使鋰電池蓄電能力提高10倍
材料：硅納米粒子


簡介：2月13日，加拿大阿爾伯塔大學化學家布里亞克團隊發(fā)現(xiàn)將硅塑造成納米級的顆粒有助于防止它破裂。研究人員測試了四種不同尺寸的硅納米顆粒，發(fā)現(xiàn)最小的顆粒（直徑僅為30億分之一米）在多次充放電循環(huán)后表現(xiàn)出最佳的長期穩(wěn)定性。成果已發(fā)布于《材料化學》。

突破點：這項成果克服了在鋰離子電池中使用硅的限制。這一發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致新一代電池的容量是目前鋰離子電池的10倍，朝著制造新一代硅基鋰離子電池邁出了關(guān)鍵的一步。該研究有廣闊的應(yīng)用前景，特別是在電動汽車領(lǐng)域，可以使其行駛里程更遠，充電速度更快，電池重量更輕。