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寧波材料所高能量密度鋰電池研究獲進(jìn)展
2020年12月31日 14:10:35
來(lái)源：寧波材料技術(shù)與工程研究所 點(diǎn)擊量：3350
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(duì)正、負(fù)極材料和電解液等關(guān)鍵材料及電池設(shè)計(jì)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(rèn)為是實(shí)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(wèn)題較為突出。然而，金屬鋰負(fù)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(duì)正、負(fù)極材料和電解液等關(guān)鍵材料及電池設(shè)計(jì)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(rèn)為是實(shí)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(wèn)題較為突出。然而，金屬鋰負(fù)極的電化學(xué)沉積/溶解行為可逆性差、易于枝晶狀生長(zhǎng)、充放電過(guò)程中體積變化大及“死鋰”堆積等問(wèn)題也亟待解決。對(duì)于電解液，則需要同時(shí)匹配新型正負(fù)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(jì)、組裝工藝和測(cè)試規(guī)程等也無(wú)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(lái)，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所劉兆平研究團(tuán)隊(duì)在高能量密度鋰電池關(guān)鍵材料及體系構(gòu)建等方面開(kāi)展深入研究，取得了系列進(jìn)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(guò)程中電壓衰減和氧析出等關(guān)鍵問(wèn)題開(kāi)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(shí)際電池要求(高可逆面積容量、低N/P比以及低注液量)，針對(duì)金屬鋰負(fù)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(wèn)題，開(kāi)展了高容量長(zhǎng)壽命金屬鋰負(fù)極的創(chuàng)新研究。通過(guò)石墨烯與金屬鋰復(fù)合重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了金屬鋰在石墨烯上的可控負(fù)載與高面積容量下鋰沉積穩(wěn)定性的提升，同時(shí)降低了循環(huán)過(guò)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(jì)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(jī)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(jìn)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(jì)與制作工藝方面開(kāi)展技術(shù)研發(fā)，申請(qǐng)了系列發(fā)明專(zhuān)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(cè)試與評(píng)價(jià)規(guī)程。
為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)鋰金屬二次電池的長(zhǎng)壽命目標(biāo)，科研人員通過(guò)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(lèi)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(fù)極表面，有效增強(qiáng)了電解液/正極界面的高電壓耐受性，提升了鋰負(fù)極沉積行為的可逆性。科研人員結(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(fù)極，應(yīng)用該新型電解液體系設(shè)計(jì)構(gòu)建了一款容量為3.6Ah、能量密度達(dá)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)、中科院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃(STS)、中科院伙伴計(jì)劃對(duì)外合作重點(diǎn)項(xiàng)目、寧波市“科技創(chuàng)新2025”重大專(zhuān)項(xiàng)和中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)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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