復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系青年研究員夏廣林國(guó)際合作研究 成功研制出高能量密度雙離子電池
近日，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系青年研究員夏廣林與澳大利亞伍倫貢大學(xué)、美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展合作研究，在高能量密度電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。近日，相關(guān)研究成果以“Designing a hybrid electrode toward high energy density with a staged Li+ and PF6− deintercalation/intercalation mechanism”為題在線發(fā)表于《美國(guó)科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）。
鋰離子電池具有能量密度較高，循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、新能源汽車(chē)等各個(gè)領(lǐng)域。由于磷酸鐵鋰具有穩(wěn)定高、安全性好等優(yōu)勢(shì)，因此，我國(guó)車(chē)用動(dòng)力電池技術(shù)路線中一般采用的是磷酸鐵鋰為正極材料。隨著新能源電動(dòng)汽車(chē)對(duì)續(xù)航里程需求的逐漸增加，對(duì)鋰離子電池的能量密度、成本等指標(biāo)的要求也逐漸提高。然而，磷酸鐵鋰的比容量只有約140 mAh g-1，而且工作電壓范圍低（2.5-4.0 V之間），因此，電池能量密度已很難滿足電動(dòng)汽車(chē)對(duì)更大續(xù)航里程的需求。另外，近年來(lái)我國(guó)車(chē)用電池的產(chǎn)量持續(xù)增加，造成鋰，鐵等原材料價(jià)格不斷上漲，成為鋰離子電池成本進(jìn)一步下降的最大阻礙。
針對(duì)以上問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)采用廉價(jià)易得的石墨代替部分商業(yè)化正極材料磷酸鐵鋰，通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械球磨混合制備工藝，開(kāi)發(fā)了一種基于磷酸鐵鋰/石墨復(fù)合材料的混合電極。類(lèi)似于傳統(tǒng)鋰離子電池，在低工作電壓（2.5-4.0 V）下，該混合電極可利用鋰離子在磷酸鐵鋰內(nèi)的嵌入/脫出反應(yīng)進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存。其次，與傳統(tǒng)搖椅式鋰離子電池不同的是，在高工作電壓（4.0-5.0 V）下，電解質(zhì)中的六氟磷酸根陰離子還可以在石墨內(nèi)進(jìn)行可逆的脫嵌/嵌入反應(yīng)，從而同步提高了電極材料的比容量與工作電壓，大幅提高了電池的能量密度。當(dāng)與商業(yè)化的石墨負(fù)極組裝成全電池后，混合電極的寬電壓范圍和高容量可將全電池的能量密度提高至約176.7 Wh kg-1，遠(yuǎn)高于以石墨和磷酸鐵鋰分別為負(fù)極和正極的商業(yè)化電池（~100到130 Wh kg-1）。
值得注意的是，石墨的加入還減少了對(duì)鋰、鐵等資源的消耗，降低了電池組裝成本。另外，這種特殊的充電/放電過(guò)程觸發(fā)了正極/電解質(zhì)界面相的原位形成，增強(qiáng)了整個(gè)電極在高工作電位下的結(jié)構(gòu)完整性。因此，這種混合電極材料在10 倍率下經(jīng)過(guò)3500次循環(huán)仍然顯示出高容量和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性。
該研究表明，通過(guò)對(duì)電池結(jié)構(gòu)與工作機(jī)理的改良，能夠以更低的成本獲得更高的能量密度，為新型高能量密度電池的設(shè)計(jì)與研發(fā)提供了一定的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系青年研究員夏廣林、澳大利亞伍倫貢大學(xué)教授郭再萍和美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員陸俊為論文共同通訊作者。
文章鏈接：https://www.pnas.org/content/117/6/2815
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