中德科學家聯合開發鋰電池陽極材料 構建長循環壽命安全電池

2020-08-29 汽車材料網

德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）和中國吉林大學的研究人員研究了一種很有前景的陽極材料，可用於未來的高性能電池-具有鈣鈦礦晶體結構的鈦酸鋰鑭（LLTO）。正如該團隊在《自然通訊》雜誌上報導的那樣，LLTO可以提高電池的能量密度，功率密度，充電速率，安全性和循環壽命，而無需將粒徑從微米級減小到納米級。

對電動汽車的需求正在增長，與此同時，對確保可持續能源供應的智能電網的需求也在不斷增長。這些以及其他移動和固定技術都需要合適的電池。在儘可能最小的空間中以最小的重量存儲儘可能多的能量—鋰離子電池（LIB）仍能最好地滿足這一要求。該研究旨在提高能量密度這些電池的功率密度，安全性和循環壽命。電極材料在這裡至關重要。鋰離子電池的陽極由集電器和應用於其的活性材料組成，該活性材料以化學鍵的形式存儲能量。在大多數情況下，石墨被用作活性材料。但是，由石墨製成的負極的充電率低。而且，它們與安全問題有關。在替代活性材料中，鈦酸鋰氧化物（LTO）已經商業化。具有LTO的負極具有更高的充電速率，並且被認為比石墨製成的電極更安全。缺點是帶有鈦酸鋰氧化物的鋰離子電池往往具有較低的能量密度。

Researchers hope that new materials help to build safe and durable high-performance cells. Credit: Julia Maibach, KIT

KIT儲能系統應用材料研究所（IAM-ESS）負責人Helmut Ehrenberg教授周圍的團隊現在研究了另一種很有前景的陽極材料：具有鈣鈦礦晶體結構的鈦酸鋰鑭（LLTO）。根據與長春吉林大學（中國）以及中國和新加坡其他研究機構的科學家合作進行的研究，與商業化的LTO陽極相比，LLTO陽極具有較低的電極電勢，從而可提供更高的電池電壓和更高的容量。「電池電壓和存儲容量最終決定了能量Ehrenberg解釋說：「將來，LLTO陽極可能會用於構建具有較長循環壽命的安全性高的高性能電池。」該研究為電化學存儲研究平臺CELEST（電化學儲能中心（Ulm和Karlsruhe），是全球最大的電池研究平臺之一，其中還包括POLiS卓越集群。

除了能量密度，功率密度，安全性和循環壽命外，充電速率是決定電池是否適合苛刻應用的另一個決定性因素。原則上，最大放電電流和最小充電時間取決於固體內以及電極與電解質材料之間的界面處的離子和電子傳輸。為了提高充電速率，通常的做法是將電極材料的粒徑從微米級減小到納米級。

這項研究由KIT研究人員及其合作夥伴發表在《自然通訊》雜誌上，該研究表明，即使是鈣鈦礦結構的LLTO中，甚至幾微米大小的顆粒也具有更高的功率密度。和比LTO納米粒子更好的充電速率。研究團隊將其歸因於所謂的LLTO偽電容：不僅單個電子附著到該陽極材料上，而且還附著有帶電離子，這些離子被弱力束縛並可以可逆地將電荷轉移到陽極上。「由於顆粒更大，LLTO基本上可以實現更簡單且更具成本效益的電極製造工藝，」 Ehrenberg解釋說。

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