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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(shù)與工程研究所 點擊量：3330

鋰金屬二次電池是突破500Wh/kg能量密度的下一代電池技術(shù)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(guān)鍵材料及電池設(shè)計與構(gòu)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(shù)目標(biāo)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(xué)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(shù)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(guān)鍵材料及電池設(shè)計與構(gòu)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(shù)目標(biāo)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(xué)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(dǎo)率間的關(guān)系。此外，鋰金屬二次電池的電芯設(shè)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(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所劉兆平研究團隊在高能量密度鋰電池關(guān)鍵材料及體系構(gòu)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(guān)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(guān)富鋰錳基正極材料工程化技術(shù)；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(yán)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(fù)合重構(gòu)，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(shè)計構(gòu)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(yīng)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(shè)計與制作工藝方面開展技術(shù)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(biāo)，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(jié)構(gòu)，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?？蒲腥藛T結(jié)合在鋰金屬二次電池關(guān)鍵材料及電芯工藝研發(fā)基礎(chǔ)，采用富鋰錳基正極材料為正極、鋰金屬為負極，應(yīng)用該新型電解液體系設(shè)計構(gòu)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(guān)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(xué)基金項目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、中科院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)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(xué)基金項目等的資助。
 
430Wh/kg鋰金屬二次電池及其電化學(xué)性能
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