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我国科学家开发全球首个超过500Wh/kg锂金属软包电池

发布时间:2020/7/30阅读次数:84次

当下全球电动汽车快速发展使得高能量密度的电池需求日益强烈。有鉴于此,世界主要发达国家,如美国、日本均设定了开发出能量密度高达500 Wh/kg的二次锂电池发展目标。经典的基于三元正极材料体系锂电池的工作原理是基于过渡金属(TM)相关的阳离子氧化还原反应,但受限于阳离子活性容量,该类电池容量难以达到500 Wh/kg,而氧元素有关的阴离子氧化还原活性则有望大幅提升电池能量密度,成为了目前二次电池体系研究的热点前沿。

南京大学Haoshen Zhou教授研究团队设计开发了一种稳定的、大容量基于阴离子氧化还原活性的正极材料体系,应用于锂金属(Li)软包全电池,通过氧化锂(Li2O)与过氧化锂(Li2O2)之间的可逆转化,显著提升了电池器件的性能,首次获得了超越500 Wh/kg的能量密度,且电池稳定循环100余次后仍可获得大于400 Wh/kg的能量密度,更为关键的是该电池镍金属的含量仅为1.59%(质量分数),远低于传统的高镍三元正极,成本更低更适于规模化生产,对电池产业和电动汽车发展具有重要推动作用。相关的研究表明,在Li金属电池正极材料的设计过程中,不局限于传统过渡金属氧化还原提供容量,利用Li2O与Li2O2之间的可逆转化,能够为正极体系提供很高的能量密度。理论计算得知,Li2O/Li2O2转化的理论能量密度高达2565 Wh/kg。为此研究人员利用湿化学法制备了Li2O基正极材料,同时为了提升无氧气析出的“安全”充电深度,研究人员同时制备了匹配的镍基碳合金导电催化框架(Ni-CAC)包覆Li2O形成Li2O@Ni-CAC电极体系,一方面有助于提升电池性能,另一方面有利于减少镍金属使用量降低成本。接着以Li2O@Ni-CAC和Li为正负极,醚类溶剂为电解质组装成完整的软包电池,并开展电化学性能测试。原位气相质谱和拉曼光谱实验显示,在充电过程中存在明显的Li2O向Li2O2的转化过程,且Li2O@Ni-CAC电极体系的可逆“安全”充电深度为750 mAh/g(基于Li2O活性物质质量),一旦超过这一数值就会出现不可逆的氧气析出。随后控制充电深度不超过750 mAh/g,进行充放电循环测试,发现电池可以稳定可逆循环100余次,且能量密度高达950 Wh/kg(考虑到所有电极材料质量的前提下,但不包括软包外壳);而在计入软包外壳后,电池依然获得了超越500 Wh/kg的能量密度,达到了513.5 Wh/kg,这是目前文献报道的能量密度最高的软包电池(计入整个软包电池质量后),且电池稳定循环100余次后,输出能量密度仍然高于400 Wh/kg,表现出优异的循环稳定性。

图 1 基于阴离子氧化还原活性正极材料体系锂金属(Li)软包全电池及其性能表征

该项研究设计开发了一种基于阴离子氧化还原活性的正极材料体系软包锂电池,得益于Li2O与Li2O2之间的可逆转化,电池器件的性能显著提升,首次获得了超越500 Wh/kg的能量密度,且具备良好循环稳定性,为设计开发高能量密度的锂金属电池开辟新思路。相关研究成果发表在《Joule》[1]。

[1] Yu Qiao, Han Deng, Ping He, et al. A 500 Wh/kg Lithium-Metal Cell Based on Anionic Redox. Joule, 2020. DOI: 10.1016/j.joule.2020.05.012