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重磅！2019年10大让锂离子电池性能飙升的新型材料
2019-07-15 17:00:16
汽车向电气化转变，锂离子电池凭借循环寿命长、能量密度高和绿色环保等优势，在动力电池领域展现出强劲的发展势头。但新能源汽车要想取代燃油汽车，效率和安全是两大关键问题，提升锂离子电池性能，正是解决途径之一。
实现技术升级离不开新材料。本次，选取了今年公布的10项从材料入手，改善锂离子电池性能的技术进展，分享给大家，一起来看看锂离子电池性能将实现哪些升级吧！
*以下以技术突破报道时间倒序排列，不分先后。
▌新型卤素转换插层化学 打造高能锂离子水系电池
材料：石墨+卤素转换插层化学
简介：5月27日，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）。
▌新型高熵储能材料锂储存性能和循环性能强
材料：新型高熵储能材料
简介：5月21日，德国卡尔斯鲁厄理工学院提出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。该研究成功合成一种具有岩石盐结构的氟氧基正极活性材料，适用于下一代锂离子电池应用。
突破点：受益于熵稳定，新材料表现出更强的锂储存性能，以前所未有的方式改变组成元素，提升循环性能。且研究采用的方法可以减少电池正极中有毒和昂贵元素，同时不明显影响能量密度。
▌我国合成超高容量锂电有机正极材料
材料：环己六酮
简介：5月15日，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。
突破点：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。
▌氮化硼纳米涂层通过稳定电解质降低短路风险
材料：氮化硼纳米涂层
简介：5月7日，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。
▌新成果有望优化锂离子电池正极材料稳定性
材料：层状氧化物
简介：4月29日，北京航空航天大学物理学院刘利民教授及其合作者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》。
突破点：这一机制深化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，为优化锂离子电池正极材料稳定性提供了重要的研究基础。
▌新型复合材料电极破解硅负电极体积效应瓶颈
材料：多层硅/碳复合结构
简介：4月2日，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。
▌非晶Al2O3涂层可提升锂电池石墨阳极的快充性能
材料：非晶Al2O3涂层
简介：3月25日，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》。
突破点：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。
▌多孔硅基复合负极(ASD-SiOC)循环稳定性、结构稳定性优异
材料：多孔硅基复合负极(ASD-SiOC)
简介：3月13日，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》。
突破点：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。
▌长沙理工等合成高能锂离子电池“双重修饰”正极材料
材料：“双重修饰”富镍三元正极材料
简介：2月14日，长沙理工大学副教授李灵均、厦门大学张桥保及其他合作者通过第一性原理计算为指导，同步合成了钛掺杂、镧镍锂氧化物包覆的“双重修饰”富镍三元正极材料，具有良好的热稳定性、结构稳定性及优异的电化学性能。成果已发布于《先进功能材料》。
突破点：在60摄氏度高温循环150次后，双重修饰材料的容量保持率，比纯相富镍材料提高了近两倍。此外，团队还证明了“双重修饰”可抑制正极材料二次颗粒内微裂纹的产生与循环过程中微裂纹扩展，循环后富镍材料二次颗粒间Ni3+的不均匀分布得到了有效抑制，显著提升了材料二次颗粒的结构稳定性。该成果为富镍三元材料的开发和应用提供了新思路和理论指导，有助于高能量密度锂离子动力电池的发展。
▌硅纳米粒子可使锂电池蓄电能力提高10倍
材料：硅纳米粒子
简介：2月13日，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》。
突破点：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。
