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...

2020-11-28 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

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