2019年10大讓鋰離子電池性能飆升的新型材料
時(shí)間:2019-06-03 17:36來(lái)源:新材料在線 作者:綜合報(bào)道
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被稱為史上“最嚴(yán)”的國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)即將實(shí)施，新能源汽車再遇發(fā)展良機(jī)。
汽車向電氣化轉(zhuǎn)變，鋰離子電池憑借循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量密度高和綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，在動(dòng)力電池領(lǐng)域展現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)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(wèn)題，提升鋰離子電池性能，正是解決途徑之一。
實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)離不開(kāi)新材料。以下選取了今年公布的10項(xiàng)從材料：
*以下以技術(shù)突破報(bào)道時(shí)間倒序排列，不分先后。
新型鹵素轉(zhuǎn)換插層化學(xué) 打造高能鋰離子水系電池
材料：石墨+鹵素轉(zhuǎn)換插層化學(xué)
簡(jiǎn)介：5月27日，馬里蘭大學(xué)在石墨中引入鹵素轉(zhuǎn)換插層化學(xué)，創(chuàng)新研發(fā)復(fù)合電極，并將這一陰極與鈍化石墨陽(yáng)極相結(jié)合，打造出能達(dá)到4V的鋰離子水系全電池，能量密度為460 Wh/kg，庫(kù)侖效率約為100%。電池基于負(fù)離子轉(zhuǎn)換-插層機(jī)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(diǎn)：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(guò)最先進(jìn)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(dá)到304Wh/kg）。
新型高熵儲(chǔ)能材料鋰儲(chǔ)存性能和循環(huán)性能強(qiáng)
材料：新型高熵儲(chǔ)能材料
簡(jiǎn)介：5月21日，德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院提出一種適合儲(chǔ)能應(yīng)用的新型高熵材料，研究人員以多陽(yáng)離子過(guò)渡金屬基高熵氧化物為前體，LiF或NaCl為反應(yīng)物，用簡(jiǎn)易機(jī)械化學(xué)方法，制備多陰離子和多陽(yáng)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(diǎn)：受益于熵穩(wěn)定，新材料表現(xiàn)出更強(qiáng)的鋰儲(chǔ)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(shí)不明顯影響能量密度。
我國(guó)合成超高容量鋰電有機(jī)正極材料
材料：環(huán)己六酮
簡(jiǎn)介：5月15日，中國(guó)科學(xué)院院士、南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授陳軍團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了一種具有超高容量的鋰離子電池有機(jī)正極材料——環(huán)己六酮，放電比容量可達(dá)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(zhǎng)循環(huán)壽命等特征。成果已發(fā)布于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》。
突破點(diǎn)：此類有機(jī)正極材料展現(xiàn)了鋰離子電池目前所報(bào)道的最高容量值，刷新了鋰離子電池有機(jī)正極材料容量的世界紀(jì)錄。這項(xiàng)工作為高容量有機(jī)電極材料的設(shè)計(jì)、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(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，為將來(lái)電動(dòng)汽車、儲(chǔ)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(guò)穩(wěn)定電解質(zhì)降低短路風(fēng)險(xiǎn)
材料：氮化硼納米涂層
簡(jiǎn)介：5月7日，哥倫比亞大學(xué)通過(guò)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(fēng)險(xiǎn)。
突破點(diǎn)：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(fēng)險(xiǎn)，但5至10納米的氮化硼（BN）納米膜即可用作保護(hù)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(xué)上和機(jī)械上又對(duì)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(jiǎn)介：4月29日，北京航空航天大學(xué)物理學(xué)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(jìn)展，研究人員發(fā)現(xiàn)在層狀氧化物中氧的擴(kuò)散遠(yuǎn)比人們想象中的容易，氧離子在電池循環(huán)過(guò)程中的擴(kuò)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(shí)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(diǎn)：這一機(jī)制深化了人們對(duì)氧離子在層狀金屬氧化物中的產(chǎn)生和擴(kuò)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(fù)電極體積效應(yīng)瓶頸
材料：多層硅/碳復(fù)合結(jié)構(gòu)
簡(jiǎn)介：4月2日，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與西交大蘇州研究院及納米學(xué)院合作，基于原位可控凝膠化過(guò)程，制備出Cu導(dǎo)電添加劑及碳納米管增強(qiáng)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(guò)程中硅負(fù)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(guó)化學(xué)會(huì)·納米》。
突破點(diǎn)：該復(fù)合材料電極在1A·g-1的大電流密度下經(jīng)過(guò)900次循環(huán)后比容量達(dá)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(guò)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(guò)微觀組織和界面結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)解決了硅負(fù)電極體積效應(yīng)這一瓶頸問(wèn)題，有望為新一代高性能鋰離子硅負(fù)極的開(kāi)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(yáng)極的快充性能
材料：非晶Al2O3涂層
簡(jiǎn)介：3月25日，韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)研究人員利用非晶Al2O3實(shí)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(rùn)濕性。研究人員采用LiCoO2陰極及涂覆Al2O3的石墨陽(yáng)極開(kāi)展純電芯測(cè)試，經(jīng)試驗(yàn)證明，引入非晶Al2O3后可提高石墨陽(yáng)極材料的充電性能。成果已發(fā)布于《能源雜志》。
突破點(diǎn)：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(qiáng)度為100 mA/g時(shí)，相對(duì)應(yīng)的電容保有量約為97.2%。據(jù)研究人員預(yù)計(jì)，涂層提升了石墨電極整個(gè)表面區(qū)域的電解質(zhì)滲透率，從而提升石墨陽(yáng)極材料的快充性能。該成果提升了鋰離子電池石墨陽(yáng)極材料的快充性能表現(xiàn)。
多孔硅基復(fù)合負(fù)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(fù)極(ASD-SiOC)
簡(jiǎn)介：3月13日，東華大學(xué)材料學(xué)院楊建平研究員課題組及江莞教授研究團(tuán)隊(duì)在硅基鋰離子電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)選取苯基橋聯(lián)的有機(jī)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(fù)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(guó)應(yīng)用化學(xué)》。
突破點(diǎn)：這種新的設(shè)計(jì)具有眾多優(yōu)點(diǎn)：活性基質(zhì)SiOx單元與碳可以實(shí)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(guò)程中，ASD-SiOC負(fù)極可以轉(zhuǎn)化為更加穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)高的庫(kù)倫效率。該研究表明碳分布對(duì)于保持復(fù)合負(fù)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(zhǎng)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(jiǎn)介：2月14日，長(zhǎng)沙理工大學(xué)副教授李靈均、廈門大學(xué)張橋保及其他合作者通過(guò)第一性原理計(jì)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(xué)性能。成果已發(fā)布于《先進(jìn)功能材料》。
突破點(diǎn)：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(tuán)隊(duì)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(guò)程中微裂紋擴(kuò)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(kāi)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(dòng)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(jiǎn)介：2月13日，加拿大阿爾伯塔大學(xué)化學(xué)家布里亞克團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)將硅塑造成納米級(jí)的顆粒有助于防止它破裂。研究人員測(cè)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(zhǎng)期穩(wěn)定性。成果已發(fā)布于《材料化學(xué)》。
突破點(diǎn)：這項(xiàng)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(dòng)汽車領(lǐng)域，可以使其行駛里程更遠(yuǎn)，充電速度更快，電池重量更輕。
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