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2016年20大锂电池新技术突破!

2016-12-22 12:25
雷本祖
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1.科学家发明锂电池新技术:能量密度提高30% 成本降低

哥伦比亚大学材料科学与工程学院的助理教授杨远开发了一种提高锂离子电池能量密度的全新方法。

图:石墨/PMMA / Li三层电极在电池电解质中浸泡24小时之前(左)和之后(右)的对比。在浸入电解质之前,三层电极在空气中是稳定的。浸泡后,锂与石墨反应,颜色变黄。

首先,他使用了一层“PMMA”(即常见的有机玻璃材料),来隔绝锂与空气和水分的接触;然后在PMMA聚合物上加一层人造石墨或硅纳米颗粒等活性材料;最后,他让PMMA聚合物层溶解在电池电解质中,从而将锂与电极材料导通。这样我们就可以避免不稳定的锂和锂化电极间的空气接触。采用该结构的电极可以在普通空气环境下完成,更容易实现电池电极的量产。

三层结构电极能在裸露的空气环境中保持稳定,因而使得电池电量更加持久、制造成本进一步降低。该研究可以将锂电池的能量密度提高10-30%。这种方法在增加电池寿命方面有巨大潜力,有望应用于便携式电子设备和电动汽车

2.新型软性导电碳材料提升LiFePO4材料性能

北京大学深圳研究生院的Wenju Ren等人从电极结构方面进行了研究,提出了软性碳导电剂SCC的概念,软性碳材料导电剂相比于硬碳导电剂能和活性物质颗粒之间产生更大的接触面积,从而使得电流分布和Li+分布更加均匀,从而减少在充放电过程中正极材料的极化,从而显著的提升材料的容量和倍率性能。

Wenju Ren研究了三种不同形貌的导电碳材料——球状、管状和多孔导电碳材料,研究了几种碳材料的sp2/sp3键混合比例、晶体结构、表面缺陷、形貌、比表面积和孔状结构,以及这些碳材料于LFP颗粒的接触情况。其中孔状结构的碳材料具有发丝状的形貌,并呈现出了非常柔软的状态,能够于LFP颗粒之间产生很大的接触面积,这主要是由于这种碳材料含有较大的sp2键比例(约80%),大量的表面缺陷,较小的晶体尺寸(大约4nm),以及巨大的比表面积(>1000m2/g),因此这种材料也被称为软碳材料(SCC),而其他类型的碳材料则被划分为硬碳材料(HCC)和碳纳米管(CNT)。软碳材料由于大量的表面缺陷和巨大的比表面积,因此极大的增加了其于LFP颗粒之间的接触面积,显著降低了接触阻抗,增加电极的导电性。

3.科学家在锂电池三元层状NMC材料研究方面取得新进展

北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授团队,对锂电池三元层状NMC材料开展了系统研究,对锂的扩散机理及高低温的性能开展了系统的研究并发现NMC622具有最好的高低温的性能。

他们通过第一性原理计算和实验验证,发现三元层状正极材料的稳定性与晶格结构中最不稳定的氧有关,而氧的稳定性又由其基本的配位单元决定(TM(Ni,Mn,Co)3-O-Li3-x’:每个氧和过渡金属层中的三个过渡金属离子配位,同时和锂层中的0到3个锂离子配位)。

图:理论计算和实验测量得到三元层状材料充电(脱锂)过程中起始脱氧温度的变化

通过此模型,他们系统地揭示了层状材料中锂的含量、过渡金属元素的含量及价态、Ni/Li反位缺陷等因素对氧稳定性的调控。这将为今后三元层状材料锂离子电池稳定性的优化提供重要线索和理论指导 。

4.加州大学成功研发出可重复充电无损电池

美国加州大学尔湾分校(University ofCalifornia, Irvine)博士生Mya Le Thai和她的研究团队,成功研发出一种近乎永续的充电池。

多年来科学家一直希望把纳米线(nanowires)应用到电池上,纳米线是一种比头发还要细几千倍的物料,若用纳米线作导电沟道,这样的电晶体就会有良好的导电能力,但是它们太过脆弱,所以电池有一定寿命,技术一直没有新突破。而Mya Le Thai则发现到,只要把纳米线涂在二氧化锰上,再用类似塑胶玻璃(Plexiglas)凝胶包裹,就可以大大加强纳米线的强度。加州大学化学系主任Reginald Penner 指:“仅通过使用这种纳米线电容器(PMMA),充电池可以重覆充电几十万次而没出现任何损耗。”而一般的充电池,最多只能重覆充电5000到7000次左右(或更少)在为期三个月的测试中,团队把制成的电池重覆充电20万次后,也没法检测任何功能上的损耗。

5.新加坡南洋理工开发出TiO@C空心球包裹硫正极材料,可用于高性能锂硫电池

新加坡南洋理工大学楼雄文课题组提出了一种高性能锂硫电池的TiO@C空心球包裹S的正极材料。TiO@C纳米空心球具有很好的导电性能和很强的吸附聚合硫化物的能力,所以在电极材料中能提供良好的导电性并有效地限制了聚硫化物的溶解。除此之外,在复合正极材料结构上的特殊设计也使聚硫化物的上限容量达到最大化,从而阻碍了聚硫化物向外流失。

图:(a)TiO@C-HS/S复合材料的合成路径示意图(b-e)PS、(f-i)PS@TiO2核-壳微球以及(j-m)TiO2@PDA 微球的扫描电镜和透射电镜图像

他们通过硬模板的方式逐次包覆二氧化钛和PDA,经还原性气氛下碳化后,二氧化钛转化为一氧化钛,PDA碳化成外包覆的一层碳层,该碳层对于内部一氧化钛中空结构稳定性起到了关键作用。这一工作为设计高导电性和高吸附性能的纳米结构提供了新思路,也使得后续高能量密度电池的设计成为了可能 。

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