我國科學家開發全球首個超過500Wh/kg鋰金屬軟包電池

2020-07-30 能源新聞網


我國科學家開發全球首個超過500Wh/kg鋰金屬軟包電池

當下全球電動汽車快速發展使得高能量密度的電池需求日益強烈。有鑑於此，世界主要發達國家，如美國、日本均設定了開發出能量密度高達500 Wh/kg的二次鋰電池發展目標。

經典的基於三元正極材料體系鋰電池的工作原理是基於過渡金屬(TM)相關的陽離子氧化還原反應，但受限於陽離子活性容量，該類電池容量難以達到500 Wh/kg，而氧元素有關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前沿。

南京大學Haoshen Zhou教授研究團隊設計開發了一種穩定的、大容量基於陰離子氧化還原活性的正極材料體系，應用於鋰金屬(Li)軟包全電池，通過氧化鋰(Li2O)與過氧化鋰(Li2O2)之間的可逆轉化，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，且電池穩定循環100餘次後仍可獲得大於400 Wh/kg的能量密度，更為關鍵的是該電池鎳金屬的含量僅為1.59%(質量分數)，遠低於傳統的高鎳三元正極，成本更低更適於規模化生產，對電池產業和電動汽車發展具有重要推動作用。

相關的研究表明，在Li金屬電池正極材料的設計過程中，不局限於傳統過渡金屬氧化還原提供容量，利用Li2O與Li2O2之間的可逆轉化，能夠為正極體系提供很高的能量密度。理論計算得知，Li2O/Li2O2轉化的理論能量密度高達2565 Wh/kg。

為此研究人員利用溼化學法製備了Li2O基正極材料，同時為了提升無氧氣析出的「安全」充電深度，研究人員同時製備了匹配的鎳基碳合金導電催化框架(Ni-CAC)包覆Li2O形成Li2O@Ni-CAC電極體系，一方面有助於提升電池性能，另一方面有利於減少鎳金屬使用量降低成本。

接著以Li2O@Ni-CAC和Li為正負極，醚類溶劑為電解質組裝成完整的軟包電池，並開展電化學性能測試。原位氣相質譜和拉曼光譜實驗顯示，在充電過程中存在明顯的Li2O向Li2O2的轉化過程，且Li2O@Ni-CAC電極體系的可逆「安全」充電深度為750 mAh/g(基於Li2O活性物質質量)，一旦超過這一數值就會出現不可逆的氧氣析出。

隨後控制充電深度不超過750 mAh/g，進行充放電循環測試，發現電池可以穩定可逆循環100餘次，且能量密度高達950 Wh/kg(考慮到所有電極材料質量的前提下，但不包括軟包外殼);而在計入軟包外殼後，電池依然獲得了超越500 Wh/kg的能量密度，達到了513.5 Wh/kg，這是目前文獻報導的能量密度最高的軟包電池(計入整個軟包電池質量後)，且電池穩定循環100餘次後，輸出能量密度仍然高於400 Wh/kg，表現出優異的循環穩定性。

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