中国科学家研制出世界上第一个超过500 Wh/kg的锂金属软包装电池。
2020-09-04 16:23:29    来源:本文章来源于网络

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目前,随着世界各地电动汽车的迅速发展,对高能量密度电池的需求越来越强烈。鉴于此,世界上主要的发达国家,如美国和日本,都设定了能量密度高达500Wh/kg的二次锂电池的发展目标。基于三元正极材料体系的锂电池的经典原理是以过渡金属(Tm)相关的阳离子氧化还原反应为基础,但受阳离子活性容量的限制,这种电池的容量难以达到500kg。然而,与氧元素有关的阴离子氧化还原活性有望大大提高电池的能量密度,已成为当前二次电池系统的研究热点。

应用于金属锂(li)软包电池,通过氧化锂(li2o)与过氧化锂(li2o2)之间的可逆转换,显著提高电池器件性能,首次获得超过500Wh/kg的能量密度,稳定循环100次以上仍可获得超过400Wh/kg的能量密度南京大学郝神州教授研究团队设计开发了稳定,大容量的阴离子基氧化还原活性基正极材料体系。更重要的是,电池的镍金属含量仅为1.59%(质量分数),远低于传统的高镍三元正极,成本更低,更适合规模化生产,对电池产业和电动汽车的发展具有重要的推动作用。相关研究表明,在锂金属电池负极材料的设计过程中,容量并不局限于传统的过渡金属氧化还原,Li2O和Li2O2之间的可逆转换可以为负极体系提供高能量密度。理论计算表明,Li2O/Li2O2转化的理论能量密度高达2565Wh/kg。同时,为了提高无氧沉淀的安全充电深度,研究人员还制备了匹配的镍基碳合金导电催化骨架(ni-cac),将li2o包覆,形成li2o@ni-cac电极体系,一方面有助于提高电池性能,另一方面也有助于降低镍金属使用量和成本为此,研究人员采用湿化学法制备了li2o基正极材料,然后,以li2o@ni-cac和li为正负极,以醚溶剂为电解液,组装成完整的软包电池,并进行电化学性能测试。原位气相质谱和拉曼光谱实验表明,在充电过程中存在明显的li2o向li2o2的转化过程,li2o@ni-cac电极体系的可逆安全充电深度为750mAh/g(以li2o活性物质质量计),一旦超过该值,将发生不可逆氧沉淀发现电池可稳定可逆循环100次以上,能量密度高达950Wh/kg(考虑所有电极材料的质量,但不包括软包外壳);然而,在考虑到软包外壳后,电池仍然实现了超过500Wh/kg的能量密度,达到5135Wh/kg,是文献报道能量密度最高的软包电池(考虑整个软包电池质量后),且电池稳定循环100多次后输出能量密度仍高于400Wh/kg,表现出优异的循环稳定性

图1基于负离子氧化还原活性阴极材料体系的锂软包装电池及其性能表征

研制了一种基于负离子氧化还原活性的正极材料软锂电池,由于Li2O与Li2O2的可逆转换,电池器件的性能有了明显的提高,首次获得了500Wh/kg以上的能量密度和良好的循环稳定性,为高能量密度锂电池的设计和开发开辟了新的思路,相关研究成果发表于焦耳[1]。

[1]玉桥,汉登,平河,etal.a500wh/kglithium-metalcellbasedonanionicredox.joule,2020,DOI:10.1016/j.joule.2020.05.012

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