我國(guó)科學(xué)家開(kāi)發(fā)全球首個(gè)超過(guò)500Wh/kg鋰金屬軟包電池
2020-07-29 11:41:28
摘要：當(dāng)下全球電動(dòng)汽車(chē)快速發(fā)展使得高能量密度的電池需求日益強(qiáng)烈。
當(dāng)下全球電動(dòng)汽車(chē)快速發(fā)展使得高能量密度的電池需求日益強(qiáng)烈。有鑒于此，世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、日本均設(shè)定了開(kāi)發(fā)出能量密度高達(dá)500 Wh/kg的二次鋰電池發(fā)展目標(biāo)。經(jīng)典的基于三元正極材料體系鋰電池的工作原理是基于過(guò)渡金屬(TM)相關(guān)的陽(yáng)離子氧化還原反應(yīng)，但受限于陽(yáng)離子活性容量，該類(lèi)電池容量難以達(dá)到500 Wh/kg，而氧元素有關(guān)的陰離子氧化還原活性則有望大幅提升電池能量密度，成為了目前二次電池體系研究的熱點(diǎn)前沿。
南京大學(xué)Haoshen Zhou教授研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種穩(wěn)定的、大容量基于陰離子氧化還原活性的正極材料體系，應(yīng)用于鋰金屬(Li)軟包全電池，通過(guò)氧化鋰(Li2O)與過(guò)氧化鋰(Li2O2)之間的可逆轉(zhuǎn)化，顯著提升了電池器件的性能，首次獲得了超越500 Wh/kg的能量密度，且電池穩(wěn)定循環(huán)100余次后仍可獲得大于400 Wh/kg的能量密度，更為關(guān)鍵的是該電池鎳金屬的含量?jī)H為1.59%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的高鎳三元正極，成本更低更適于規(guī)?；a(chǎn)，對(duì)電池產(chǎn)業(yè)和電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展具有重要推動(dòng)作用。相關(guān)的研究表明，在Li金屬電池正極材料的設(shè)計(jì)過(guò)程中，不局限于傳統(tǒng)過(guò)渡金屬氧化還原提供容量，利用Li2O與Li2O2之間的可逆轉(zhuǎn)化，能夠?yàn)檎龢O體系提供很高的能量密度。理論計(jì)算得知，Li2O/Li2O2轉(zhuǎn)化的理論能量密度高達(dá)2565 Wh/kg。為此研究人員利用濕化學(xué)法制備了Li2O基正極材料，同時(shí)為了提升無(wú)氧氣析出的“安全”充電深度，研究人員同時(shí)制備了匹配的鎳基碳合金導(dǎo)電催化框架(Ni-CAC)包覆Li2O形成Li2O@Ni-CAC電極體系，一方面有助于提升電池性能，另一方面有利于減少鎳金屬使用量降低成本。接著以Li2O@Ni-CAC和Li為正負(fù)極，醚類(lèi)溶劑為電解質(zhì)組裝成完整的軟包電池，并開(kāi)展電化學(xué)性能測(cè)試。原位氣相質(zhì)譜和拉曼光譜實(shí)驗(yàn)顯示，在充電過(guò)程中存在明顯的Li2O向Li2O2的轉(zhuǎn)化過(guò)程，且Li2O@Ni-CAC電極體系的可逆“安全”充電深度為750 mAh/g(基于Li2O活性物質(zhì)質(zhì)量)，一旦超過(guò)這一數(shù)值就會(huì)出現(xiàn)不可逆的氧氣析出。隨后控制充電深度不超過(guò)750 mAh/g，進(jìn)行充放電循環(huán)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)電池可以穩(wěn)定可逆循環(huán)100余次，且能量密度高達(dá)950 Wh/kg(考慮到所有電極材料質(zhì)量的前提下，但不包括軟包外殼);而在計(jì)入軟包外殼后，電池依然獲得了超越500 Wh/kg的能量密度，達(dá)到了513.5 Wh/kg，這是目前文獻(xiàn)報(bào)道的能量密度最高的軟包電池(計(jì)入整個(gè)軟包電池質(zhì)量后)，且電池穩(wěn)定循環(huán)100余次后，輸出能量密度仍然高于400 Wh/kg，表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。（先進(jìn)能源科技戰(zhàn)略情報(bào)研究中心）
