2019年10大讓鋰離子電池性能飆升的新型材料
時間:2019-06-03 17:36來源:新材料在線 作者:綜合報道
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被稱為史上“最嚴”的國六標準即將實施，新能源汽車再遇發展良機。
汽車向電氣化轉變，鋰離子電池憑借循環壽命長、能量密度高和綠色環保等優勢，在動力電池領域展現出強勁的發展勢頭。但新能源汽車要想取代燃油汽車，效率和安全是兩大關鍵問題，提升鋰離子電池性能，正是解決途徑之一。
實現技術升級離不開新材料。以下選取了今年公布的10項從材料：
*以下以技術突破報道時間倒序排列，不分先后。
新型鹵素轉換插層化學 打造高能鋰離子水系電池
材料：石墨+鹵素轉換插層化學
簡介：5月27日，馬里蘭大學在石墨中引入鹵素轉換插層化學，創新研發復合電極，并將這一陰極與鈍化石墨陽極相結合，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%。電池基于負離子轉換-插層機制，結合高能量密度的轉換反應，具有插層的優良可逆性，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。雙離子電池將復雜陰離子，在低填充密度下，可逆性插入到石墨中，穩定的陰離子不發生氧化還原反應，導致容量低于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鋰離子電池（考慮到電解質質量后，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構的氟氧基正極活性材料，適用于下一代鋰離子電池應用。
突破點：受益于熵穩定，新材料表現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——環己六酮，放電比容量可達902mAhg-1。此外，由于環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性能，組裝的電池體現高容量和長循環壽命等特征。成果已發布于《德國應用化學》。
突破點：此類有機正極材料展現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計、制備以及電池應用提供了一種新的思路。以環己六酮為正極的鋰離子電池能夠實現電池容量更高、壽命更長等優勢，為將來電動汽車、儲能電網等領域的應用提供支撐。
氮化硼納米涂層通過穩定電解質降低短路風險
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）納米涂層穩定鋰離子電池中的電解質，從而降低電池短路的風險。
突破點：鋰離子電池內部的液體電解質高度易燃，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。
新成果有望優化鋰離子電池正極材料穩定性
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域的研究取得進展，研究人員發現在層狀氧化物中氧的擴散遠比人們想象中的容易，氧離子在電池循環過程中的擴散流失導致材料內部形成了大量的納米尺寸氣泡，同時引發材料晶體結構的相變。成果已發布于《自然·納米技術》。
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生和擴散規律的理解，為優化鋰離子電池正極材料穩定性提供了重要的研究基礎。
新型復合材料電極破解硅負電極體積效應瓶頸
材料：多層硅/碳復合結構
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導電添加劑及碳納米管增強的多層硅/碳復合結構。其多層結構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生的巨大應力，Cu導電添加劑的引入提升了復合材料的導電性。成果已發布于《美國化學會·納米》。
突破點：該復合材料電極在1A·g-1的大電流密度下經過900次循環后比容量達到1500 mAh·g-1；在4A·g-1的大電流密度下循環展示出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異的結構穩定性。該研究工作通過微觀組織和界面結構的巧妙設計解決了硅負電極體積效應這一瓶頸問題，有望為新一代高性能鋰離子硅負極的開發和應用提供重要參考。
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，相對應的電容保有量約為97.2%。據研究人員預計，涂層提升了石墨電極整個表面區域的電解質滲透率，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。
多孔硅基復合負極(ASD-SiOC)循環穩定性、結構穩定性優異
材料：多孔硅基復合負極(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域取得重要進展。研究團隊選取苯基橋聯的有機硅前驅體，采用溶膠-凝膠法和高溫煅燒兩步反應，制備出一種新的多孔硅基復合負極(ASD-SiOC)，表現出優異的循環穩定性和結構穩定性。成果已發布于《德國應用化學》。
突破點：這種新的設計具有眾多優點：活性基質SiOx單元與碳可以實現原子尺度下的復合；碳三維網絡有效提高了材料的導電性；多孔結構既緩沖了體積膨脹，又加快了鋰離子的傳輸；在后續的循環過程中，ASD-SiOC負極可以轉化為更加穩定的復合結構，可以實現高的庫倫效率。該研究表明碳分布對于保持復合負極材料的結構和性能穩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，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，具有良好的熱穩定性、結構穩定性及優異的電化學性能。成果已發布于《先進功能材料》。
突破點：在60攝氏度高溫循環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微裂紋的產生與循環過程中微裂紋擴展，循環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構穩定性。該成果為富鎳三元材料的開發和應用提供了新思路和理論指導，有助于高能量密度鋰離子動力電池的發展。
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現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，發現最小的顆粒（直徑僅為30億分之一米）在多次充放電循環后表現出最佳的長期穩定性。成果已發布于《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。這一發現可能導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鍵的一步。該研究有廣闊的應用前景，特別是在電動汽車領域，可以使其行駛里程更遠，充電速度更快，電池重量更輕。
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