材料科學系青年研究員夏廣林國際合作研究 成功研製出高能量密度雙...

2020-12-15 復旦大學

近日，復旦大學材料科學系青年研究員夏廣林與澳大利亞伍倫貢大學、美國阿貢國家實驗室等國內外研究機構開展合作研究，在高能量密度電池領域取得重要進展。日前，相關研究成果以「Designing a hybrid electrode toward high energy density with a staged Li+ and PF6− deintercalation/intercalation mechanism」為題在線發表於《美國科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）。

鋰離子電池具有能量密度較高，循環壽命長等優點，已廣泛應用於手機、筆記本電腦、新能源汽車等各個領域。由於磷酸鐵鋰具有穩定高、安全性好等優勢，我國車用動力電池技術路線中一般採用的是磷酸鐵鋰為正極材料。隨著新能源電動汽車對續航裡程需求的逐漸增加，對鋰離子電池的能量密度、成本等指標的要求也逐漸提高。然而，磷酸鐵鋰的比容量只有約140 mAh g-1，而且工作電壓範圍低（2.5-4.0 V之間），因此，電池能量密度已很難滿足電動汽車對更大續航裡程的需求。另外，鋰、鐵等原材料價格不斷上漲，成為鋰離子電池成本進一步下降的阻礙。

針對以上問題，研究團隊採用廉價易得的石墨代替部分商業化正極材料磷酸鐵鋰，通過簡單的機械球磨混合製備工藝，開發了一種基於磷酸鐵鋰/石墨複合材料的混合電極。類似於傳統鋰離子電池，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的嵌入/脫出反應進行能量儲存。與傳統搖椅式鋰離子電池不同的是，在高工作電壓（4.0-5.0 V）下，電解質中的六氟磷酸根陰離子還可以在石墨內進行可逆的脫嵌/嵌入反應，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。當與商業化的石墨負極組裝成全電池後，混合電極的寬電壓範圍和高容量可將全電池的能量密度提高至約176.7 Wh kg-1，遠高於以石墨和磷酸鐵鋰分別為負極和正極的商業化電池（~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/放電過程觸發了正極/電解質界面相的原位形成，增強了整個電極在高工作電位下的結構完整性。因此，這種混合電極材料在10 倍率下經過3500次循環仍然顯示出高容量和長循環穩定性。

該研究表明，通過對電池結構與工作機理的改良，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計與研發提供了一定的理論與實踐基礎。復旦大學材料科學系青年研究員夏廣林、澳大利亞伍倫貢大學教授郭再萍和美國阿貢國家實驗室研究員陸俊為論文共同通訊作者。

文章連結：https://www.pnas.org/content/117/6/2815

相關焦點

  • 北大成功研製出仿生機器海豚
    北大成功研製出仿生機器海豚 記者從力學與工程學系獲悉，經過兩年多時間的跨學科科研攻關，北京大學力學與工程科學智能控制實驗室、北京大學系統與控制研究中心以長江學者王龍為首的課題組，成功研製出兩代仿生海豚樣機
  • 北大應用物理中心組織的第四屆高能量密度物理國際會議舉行
    ，旨在利用知名大學和國際會議所創造的良好國際交流平臺，促進國內外學者交流合作，吸引更多青年學者投入到高能量密度物理領域，推進高能量密度科學發展，為國家大科學工程和高新技術發展貢獻力量。繼2012年、2014年、2016年三屆「高能量密度物理國際會議」在北京大學，南方科技大學成功舉辦後，針對當前該領域的研究前景和需求，第四屆高能量密度物理國際會議的主要議題涉及慣性約束聚變物理、雷射等離子體相互作用、強短脈衝雷射與物質的相互作用、高能量密度物理物質特性、實驗天體物理、可壓縮湍流和流體力學不穩定性雷射等離子的相互作用。
  • 深圳先進院研發出基於高濃度電解液策略的高能量密度雙離子電池
    深圳先進院研發出基於高濃度電解液策略的高能量密度雙離子電池 2020-06-28 深圳先進技術研究院 　　相比於傳統鋰離子電池，雙離子電池（DIB）具有電壓高、成本低、環境友好等優點，在規模化儲能領域具有廣闊的應用前景。作為活性離子來源，電解液對DIB的電化學性能包括容量、循環壽命、能量密度等具有決定性的影響。然而，傳統雙離子電池電解液體系濃度有限，造成電解液的體積/質量佔比較大，限制了DIB能量密度的進一步提升。此外，低濃度電解液氧化還原穩定性不足，導致電池的循環穩定性不夠理想。
  • 東華大學材料科學與工程學院陳志鋼研究員榮獲第十屆「上海青年...
    東華大學材料科學與工程學院陳志鋼研究員榮獲第十屆「上海青年科技英才」稱號（基礎研究類） http://www.huaue.com　 2020年10月3日　 來源：東華大學
  • 密度低、強度高、韌性好 我科學家研製出仿生結構新材料
    航空航天等高技術領域對工程結構材料性能的提升不斷提出新的需求，研製全面超越工程塑料、陶瓷和金屬材料等傳統結構材料的新型輕質高強材料，對相關領域的實際應用具有重要的戰略意義，在輕量化抗衝擊防護和緩衝材料、空間材料、精密儀器結構件等應用領域將具有廣闊的應用前景。近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊發展了一種新型納米纖維仿生結構材料的製造方法，成功研製了一類天然納米纖維素高性能結構材料。
  • 【壯麗七十年 奮進「雙一流」】守為黨為國育人初心 擔材料科學...
    改革浪潮 孕育出復旦特色材料學科上世紀八十年代初期的改革開放打開了塵封已久的國門，我國高等教育和國民經濟也迎來嶄新的發展機遇，復旦大學利用自身基礎學科的優勢，1982年12月組織物理系、化學系部分從事材料科學教學和研究的師資力量，組建了主攻電子材料、高分子及稀土發光材料三個研究方向的材料科學研究所。
  • 福建物構所高儲能密度反鐵電材料研究取得進展
    、溫度穩定性好、充放電時間快和抗疲勞特性好等優異性能，被廣泛應用於位移驅動器、高功率脈衝電源、能量存儲電容器等器件，是國際上研究新型能源、智能材料與器件的熱點。該研究還深入探討了晶體的相結構、結晶學取向及微觀結構特徵與高儲能密度等優異電學性能的關聯關係，為探索新型反鐵電材料提供了新的思路。
  • 國際關係與公共事務學院招聘教授、青年研究員、青年副研究員
    招 聘 崗 位教授2名青年研究員3名青年副研究員3名學 科 方 向政治學系：>中國政治學理論、中國政治思想史、西方政治思想史、比較政治、國家理論、政黨與國家治理、發展中國家與地區政治；國際政治系：馬克思主義政治經濟學、國際法與國際關係、中國外交歷史與理論、國際關係理論、日本政治與外交、歐盟及其對外關係、民族宗教與國際關係、國際組織；公共行政系：
  • 上海矽酸鹽所研製出5英寸直徑的大尺寸BGO閃爍晶體
    鍺酸鉍（Bi4Ge3O12，BGO）晶體是一種綜合性能優異的無機閃爍體，具有密度高、有效原子序數大、射線阻止能力強、光電效應比例大、物化穩定性好和機械加工性能優異等優點，在核醫學成像、高能物理、天體物理、石油測井、環境監測、食品安全、公共安全和工業在線檢測等輻射探測領域應用廣泛，是最重要的無機閃爍晶體之一。
  • 物理所研製成功350太瓦峰值功率的超強飛秒雷射裝置
    近日，中國科學院物理所光物理重點實驗室魏志義、張杰等在中國科學院儀器研製項目和國家基金委創新群體等項目的支持下，研製成功了峰值功率大於350太瓦的超強飛秒雷射裝置——「極光III」裝置。該裝置於2006年12月27日通過中國科學院組織的鑑定，標誌著我國超短超強雷射技術又向前跨進了一大步。
  • 外媒:美國科學家研製出不會爆炸的水鋰電池
    參考消息網9月8日報導外媒稱，美國馬裡蘭大學和美國陸軍研究實驗所的研究人員首次研發出使用水鹽溶液作為電解液、且電壓達到筆記本電腦等家用電器的使用標準4.0伏的鋰離子電池，同時沒有目前某些商用的非水鋰電池存在的著火和爆炸風險。他們的研究結果刊登在9月6日出版的美國《焦耳》雜誌上。
  • 清華大學電機系郭慶來老師、湖南大學陳燕東老師獲第十六屆中國青年科技獎
    在電氣工程領域，清華大學電機系郭慶來老師獲第十六屆中國青年科技獎特別獎，湖南大學陳燕東老師獲第十六屆中國青年科技獎。郭慶來，男，清華大學電機工程與應用電子技術系博士畢業，清華大學自動化系從事博士後研究，清華大學電機工程與應用電子技術系副教授，博士生導師，清華大學電機系電力系統研究所黨支部書記。國家優秀青年科學基金獲得者（2015）。
  • ...能量密度鋰硫電池最新研究成果以我校為獨立第一單位發表在國際...
    近日，我校光伏材料省重點實驗室肖助兵教授課題組在高體積能量密度鋰硫電池方面取得重要研究進展，該工作以我校為獨立第一單位，以「Selective S/Li2S Conversion via in-Built Crystal
  • 【系主任說】材料科學與工程系主任李江宇:「科學+工程」協同發力,建設世界一流材料學科
    這些都為材料系「科學」與「工程」的進一步發展，創造得天獨厚的條件。「材料系將發揮『雙區』驅動優勢，進一步推動與企業的合作，力求『科學』和『工程』齊頭並進。」李江宇說。、表徵和計算方法，建設國際一流的新材料領域人才培養和科學研究基地。
  • 《Science》:高能離子轟擊,實現超高電容能量密度!
    基於電介質的靜電電容因其它們固有的快速充放電速率及其高可靠性已成為現代電子產品和電力系統的關鍵組件。電容器通常相對於其他電容器具有較低的能量密度。降低成本和設備小型化的要求推動了具有高能量密度，高效且可靠，並具有強大的溫度穩定性介電電容器的研發。 電容器儲能的關鍵參數主要是放電能密度Ud和效率η。
  • 院系環遊丨叮~新生專列已到站:材料科學系
    親愛的小夥伴：歡迎乘坐復旦大學新生專列，我們將載著熱誠和嚮往，帶你進行一場「院系環遊」。A：平時材料科學系很多老師都在實驗室忙碌，想要找到老師的話非常簡單啦，到材料一樓和材料二樓，你就能與許多和藹可親的老師打招呼啦。
  • 科學家研製出5英寸直徑的大尺寸BGO閃爍晶體
    無機閃爍晶體是一類光功能晶體材料，能將高能射線或粒子的能量轉化為可見或紫外光，從而實現高能射線或粒子的間接探測。
  • 北京市農林科學院研製出玉米全基因組SNP晶片Maize6H-60K並得到...
    forbid its application」的研究論文，報導了Maize6H-60K SNP晶片研製過程及其在玉米種質資源評估、分子鑑定、分子育種中的應用。為了推進玉米高密度、高效率SNP基因分型技術的應用，研究人員基於全球收集的388個玉米自交系的全基因組重測序數據，研製了Maize6H-60K SNP晶片。首先在核基因組上挖掘定位到了160M個SNP位點，建立原始SNP位點信息集。經過測序數據覆蓋度、位點質量分值評估，獲得25.6M個SNP位點，形成優異SNP位點池。並行開發了100個葉綠體基因組位點，併入到優異位點池中。
  • NASA研製出新型固態電池,體積只有鋰電池的三分之一
    圖片來源網絡雷鋒網最新消息，美國國家航空航天局（NASA）日前透露，他們正在與邁阿密大學合作，研製一種新型固態電池。這種固態電池的體型比傳統鋰電池更小，可以用在「立方體衛星（CubeSats）」等微型衛星上。
  • 特斯拉將啟用寧德時代動力電池;國軒高科量產磷酸鐵鋰電池能量密度...
    本期關鍵詞：特斯拉將啟用國產電池；國軒高科量產磷酸鐵鋰電池能量密度190Wh/Kg；易事特交付南方電網工業園區首個虛擬電廠儲能項目。國軒高科：量產磷酸鐵鋰電池能量密度190Wh/Kg5月11日，有投資者就公司發展及產品方面向國軒高科（002074）提問，精選問答如下：1、同行業中的寧德時代（300750）稱有無鈷電池技術正處於研發之中。