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锂电池新型材料有哪些?

不断提升锂电池综合性能是锂电池发展的唯一方向,而要提升锂电池性能的主要方法就是对锂电池材料的不断研发和创新,下面先容关于可以提升锂电池性能的新型材料基本情况。

锂离子电池负极材料

1、锂电池新型材料之新型高熵储能材料

由德国卡尔斯鲁厄理工学院提出的一种适合储能应用的新型高熵材料,研究人员以多阳离子过渡金属基高熵氧化物为前体,LiF或NaCl为反应物,用简易机械化学方法,制备多阴离子和多阳离子化合物,从而生成锂化或钠化材料,成功合成一种具有岩石盐结构的氟氧基正极活性材料,适用于下一代锂电池应用。

这种锂电池新型材料优势在于熵稳定,表现出更强的锂储存性能,改变了传统锂电池的组成元素,提升循环性能,还且可以减少电池正极中有毒和昂贵元素使用。

2、锂电池新型材料之层状氧化物

据行业媒体报道资料国内研究人员在层状金属氧化物领域的研究取得进展,研究人员发现在层状氧化物中氧的扩散远比人们想象中的容易,氧离子在电池循环过程中的扩散流失导致材料内部形成了大量的纳米尺寸气泡,同时引发材料晶体结构的相变,成果已发布于《自然·纳米技术》。

这种锂电池新型材料改变了人们对氧离子在层状金属氧化物中的产生和扩散规律的理解,对锂电池正极材料稳定性提供了重要的研究基础。

3、锂电池新型材料之多层硅/碳复合结构

西安交通大学金属材料强度国家重点实验室与西交大苏州研究院及纳米学院合作,基于原位可控凝胶化过程,制备出Cu导电添加剂及碳纳米管增强的多层硅/碳复合结构。其多层结构特征和碳纳米管增韧碳基体可有效释放充放电过程中硅负极体积变化而产生的巨大应力,Cu导电添加剂的引入提升了复合材料的导电性。成果已发布于《美国化学会·纳米》。

突破点:该复合材料电极在1A·g-1的大电流密度下经过900次循环后比容量达到1500 mAh·g-1;在4A·g-1的大电流密度下循环展示出1035mAh·g-1的比容量,充分表明在硅颗粒巨大体积变化过程中电极材料仍保持优异的结构稳定性。该研究工作通过微观组织和界面结构的巧妙设计解决了硅负电极体积效应这一瓶颈问题,有望为新一代高性能锂离子硅负极的开发和应用提供重要参考。

4、锂电池新型材料之环己六酮

中国科学院院士、南开大学化学学院教授陈军团队设计合成了一种具有超高容量的锂离子电池有机正极材料——环己六酮,放电比容量可达902mAhg-1。此外,由于环己六酮在高极性的离子液体中的溶解度较低,使得其在离子液体基的电解液中具有较好的循环性能,组装的电池体现高容量和长循环寿命等特征。成果已发布于《德国应用化学》。

此类有机正极材料展现了锂离子电池目前所报道的最高容量值,刷新了锂离子电池有机正极材料容量的世界纪录。这项工作为高容量有机电极材料的设计、制备以及电池应用提供了一种新的思路。以环己六酮为正极的锂离子电池能够实现电池容量更高、寿命更长等优势,为将来电动汽车、储能电网等领域的应用提供支撑。

5、锂电池新型材料之石墨+卤素转换插层化学

马里兰大学在石墨中引入卤素转换插层化学,创新研发复合电极,并将这一阴极与钝化石墨阳极相结合,打造出能达到4V的锂离子水系全电池,能量密度为460 Wh/kg,库仑效率约为100%。电池基于负离子转换-插层机制,结合高能量密度的转换反应,具有插层的优良可逆性,提高水系电池的安全性。

突破点:这种电池从根本上不同于“双离子”电池。双离子电池将复杂阴离子,在低填充密度下,可逆性插入到石墨中,稳定的阴离子不发生氧化还原反应,导致容量低于120mAh/g。新型全电池的能量密度约为460 Wh/kg,超过最先进的非水液态锂离子电池(考虑到电解质质量后,其能量密度仍能达到304Wh/kg)。

6、锂电池新型材料之氮化硼纳米涂层

哥伦比亚大学通过植入氮化硼(BN)纳米涂层稳定锂离子电池中的电解质,从而降低电池短路的风险。

突破点:锂离子电池内部的液体电解质高度易燃,存在短路、起 火风险,但5至10纳米的氮化硼(BN)纳米膜即可用作保护层,从而隔绝金属锂和电解质之间的电接触,氮化硼(BN)纳米膜在化学上和机械上又对锂稳定,电子绝缘水平高,所以其可在较大程度上提高锂离子电池安全性。

7、电池新型材料之非晶Al2O3涂层

韩国汉阳大学研究人员利用非晶Al2O3实现石墨表面改良,非晶Al2O3涂层大幅提升了石墨等电池材料与蓄电池隔板的润湿性。研究人员采用LiCoO2阴极及涂覆Al2O3的石墨阳极开展纯电芯测试,经试验证明,引入非晶Al2O3后可提高石墨阳极材料的充电性能。成果已发布于《能源杂志》。

在4000mA/g的高充电速率下,表面改良型石墨的可逆容量约为337.1?mAh/g,其中Al2O3的重量占比为1%,在电量强度为100?mA/g时,相对应的电容保有量约为97.2%。据研究人员预计,涂层提升了石墨电极整个表面区域的电解质渗透率,从而提升石墨阳极材料的快充性能。该成果提升了锂离子电池石墨阳极材料的快充性能表现。

8、锂电池新型材料之多孔硅基复合负极(ASD-SiOC)

东华大学材料学院杨建平研究员课题组及江莞教授研究团队在硅基锂离子电池领域取得重要进展。研究团队选取苯基桥联的有机硅前驱体,采用溶胶-凝胶法和高温煅烧两步反应,制备出一种新的多孔硅基复合负极(ASD-SiOC),表现出优异的循环稳定性和结构稳定性。成果已发布于《德国应用化学》。

这种新的设计具有众多优点:活性基质SiOx单元与碳可以实现原子尺度下的复合;碳三维网络有效提高了材料的导电性;多孔结构既缓冲了体积膨胀,又加快了锂离子的传输;在后续的循环过程中,ASD-SiOC负极可以转化为更加稳定的复合结构,可以实现高的库伦效率。该研究表明碳分布对于保持复合负极材料的结构和性能稳定性具有非常重要的作用。

锂电池新型材料之硅纳米粒子

加拿大阿尔伯塔大学化学家布里亚克团队发现将硅塑造成纳米级的颗粒有助于防止它破裂。研究人员测试了四种不同尺寸的硅纳米颗粒,发现最小的颗粒(直径仅为30亿分之一米)在多次充放电循环后表现出最佳的长期稳定性。成果已发布于《材料化学》。

这项成果克服了在锂离子电池中使用硅的限制。这一发现可能导致新一代电池的容量是目前锂离子电池的10倍,朝着制造新一代硅基锂离子电池迈出了关键的一步。该研究有广阔的应用前景,特别是在电动汽车领域,可以使其行驶里程更远,充电速度更快,电池重量更轻。

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