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寧波材料所高能量密度鋰電池研究獲進展
2020年12月31日 14:10:35
來源：寧波材料技術與工程研究所 點擊量：3358
鋰金屬二次電池是突破500Wh/kg能量密度的下一代電池技術的重要發(fā)展方向，面臨著較大挑戰(zhàn)。相較于傳統(tǒng)鋰離子電池，該電池體系對正、負極材料和電解液等關鍵材料及電池設計與構建等提出了新要求。具有高放電比容量(～300 mAh/g)的富鋰錳基正極材料被認為是實現(xiàn)這一技術目標的理想之選，但其電壓衰減、首次不可逆容量大、循環(huán)壽命不佳等問題較為突出。然而，金屬鋰負極的電化學沉積/溶解行為可逆性差、易于枝晶狀
【化工儀器網(wǎng) 科技前沿】鋰金屬二次電池是突破500Wh/kg能量密度的下一代電池技術的重要發(fā)展方向，面臨著較大挑戰(zhàn)。相較于傳統(tǒng)鋰離子電池，該電池體系對正、負極材料和電解液等關鍵材料及電池設計與構建等提出了新要求。具有高放電比容量(～300 mAh/g)的富鋰錳基正極材料被認為是實現(xiàn)這一技術目標的理想之選，但其電壓衰減、首次不可逆容量大、循環(huán)壽命不佳等問題較為突出。然而，金屬鋰負極的電化學沉積/溶解行為可逆性差、易于枝晶狀生長、充放電過程中體積變化大及“死鋰”堆積等問題也亟待解決。對于電解液，則需要同時匹配新型正負極材料的需求，并平衡注液量、粘度和電導率間的關系。此外，鋰金屬二次電池的電芯設計、組裝工藝和測試規(guī)程等也無法照搬傳統(tǒng)鋰離子電池工藝體系，需要大量的工藝創(chuàng)新。近五年來，中國科學院寧波材料技術與工程研究所劉兆平研究團隊在高能量密度鋰電池關鍵材料及體系構建等方面開展深入研究，取得了系列進展。 
科研人員圍繞降低富鋰錳基正極材料的首次不可逆容量、循環(huán)過程中電壓衰減和氧析出等關鍵問題開展研究，并取得系列成果(Nature Communications, 2016, 7, 12108；ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9, 3661；Advanced Material Interfaces, 2018, 1701465；ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 14, 14023；Energy Storage Materials, 2019, 16, 220；Cell Reports Physical Sciences, 2020, 1, 100028；Matter, 2021, 4, 1；Energy Storage Materials, 2021, 3, 388)；著力研發(fā)攻關富鋰錳基正極材料工程化技術；根據(jù)實際電池要求(高可逆面積容量、低N/P比以及低注液量)，針對金屬鋰負極體積膨脹嚴重、電解液/電極界面不穩(wěn)定、循環(huán)壽命短等共性問題，開展了高容量長壽命金屬鋰負極的創(chuàng)新研究。通過石墨烯與金屬鋰復合重構，實現(xiàn)了金屬鋰在石墨烯上的可控負載與高面積容量下鋰沉積穩(wěn)定性的提升，同時降低了循環(huán)過程中的體積膨脹，緩解了“死鋰”層引起的傳質(zhì)受阻(Advanced Energy Materials, 2018, 1703152；Energy Storage Materials, 2018, 15, 226；ACS Applied Materials & Interface, 2018, 10, 20387；Energy Storage Materials, 2019, 21, 107；Energy Storage Materials, 2019, 23, 693.)；設計構筑了一系列穩(wěn)定性良好的電解液/電極人造界面層，并深入探究了其作用機制(Nano Energy, 2019, 62: 55-63；Energy Storage Materials, 2019, 23: 418-426；Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7, 6267.)。
科研人員在高安全性及耐高電壓電解液及其在鋰離子/鋰金屬電池中的應用方面也取得了進展(Electrochimica Acta, 2015, 151, 429；Journal of Power Sources， 2015, 278, 190；Journal of Power Sources, 2018, 391, 113-119；Electrochimica Acta, 2019, 320, 134633；Journal of Energy Chemistry, 2020, 48 , 375–382.)，在鋰金屬二次電池電芯設計與制作工藝方面開展技術研發(fā)，申請了系列發(fā)明專利，初步建立了電池全流程工藝，并制定了鋰金屬二次電池測試與評價規(guī)程。
為進一步實現(xiàn)鋰金屬二次電池的長壽命目標，科研人員通過在常規(guī)碳酸酯基電解液(1.0 M LiPF6 in EC/DMC with 2 wt.% LiPO2F2)中加入高度氟代醚類溶劑，改變鋰離子溶劑化結構，使LiPO2F2以固體形式從電解液中析出并覆蓋在正、負極表面，有效增強了電解液/正極界面的高電壓耐受性，提升了鋰負極沉積行為的可逆性。科研人員結合在鋰金屬二次電池關鍵材料及電芯工藝研發(fā)基礎，采用富鋰錳基正極材料為正極、鋰金屬為負極，應用該新型電解液體系設計構建了一款容量為3.6Ah、能量密度達430Wh/kg的新型鋰金屬二次電池，并表現(xiàn)出優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性。相關研究成果發(fā)表在ACS Energy Letters上。
研究工作得到國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金項目、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項、中科院科技服務網(wǎng)絡計劃(STS)、中科院伙伴計劃對外合作重點項目、寧波市“科技創(chuàng)新2025”重大專項和中國博士后科學基金項目等的資助。
430Wh/kg鋰金屬二次電池及其電化學性能
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