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      鋰離子電池正極鋰補償技術研究取得新進展

      2020-05-11 ?811 字號

        鋰離子電池(LIBs)具有能量密度高、循環壽命長、安全性能好等優點,他在手機、筆記本電腦、電動工具、電動汽車等領域具有廣泛的應用,鋰離子電池的發明已經改變了人們的生活。諸多新興領域的應用需求對鋰離子電池的能量密度提出了更高的要求?,F有鋰離子電池在首次充放電循環過程中石墨負極表面與電解液發生副反應形成固態電解質界面層(SEI),該過程引起了鋰離子電池中活性鋰離子的不可逆損失,降低了首次庫倫效率,進而降低了鋰離子電池的容量和能量密度。下一代鋰離子電池將采用更高容量的硅基負極材料,與石墨負極相比較,其低的首次庫倫效率(即首次循環過程中更多的鋰損失)嚴重限制了鋰離子電池實際容量和能量密度提升。預鋰化技術能補償鋰離子電池首次循環過程中的鋰損耗,提升鋰電池的可逆容量和能量密度。其中正極預鋰化相對于其他預鋰化方法操作簡便、所涉及的預鋰化材料相對于其他預鋰化材料化學性質穩定、鋰補償容量高。因此,開發一種具有較高比容量和環境穩定性,且與現代電池制造技術相匹配的正極預鋰化添加劑具有重要的應用價值。

          鑒于此,華中科技大學孫永明教授課題組綜合考慮了正極預鋰化添加劑材料的化學穩定性與鋰補償容量兩方面因素,利用氟氧鐵化合物與熔融鋰發生反應,制備了一種具有高比容量(550 mAh/g)的正極預鋰化添加劑(Fe/LiF/Li2O復合材料)。研究發現,該預鋰化添加劑在鋰離子電池充放電電區間范圍內發生逆轉換反應 (3Fe + 3LiF + 3Li2O ® Fe2O3 +FeF3 + 9Li++ 9e-),高鋰離子容量能夠從材料中不可逆脫出,顯示了較好的鋰補償功能。該預鋰化添加劑由于LiF在材料結構中的均勻分布使材料整體表現出了較好的化學穩定性,在商業電解液中浸泡72小時后未發現Fe的溶出現象,在空氣中放置48小時后仍具有較高的比容量 (359 mAh/g)。將少量Fe/LiF/Li2O(< 5 wt%)添加到商業電池廣泛使用的LiCoO2、LiFePO4以及三元正極材料中,顯示了較好的預鋰化性能,電池的首次充電比容量提升了15%-20%。正極預鋰化添加劑的加入對電池的充放電性能和循環穩定未發現負面影響。將該正極預鋰化劑加入到由LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2為正極和SiOx/石墨為負極的全電池中,電池首次充電比容量提升了10%,循環100圈后可逆容量提升了15%(2.9 mAh/cm2 vs. 2.5 mAh/cm2)。 另外,該正極預鋰化添加劑與現代工業制備電池正極極片技術具有較好的相容性,這為其廣泛應用于電池工業提供了可能性。

          研究者相信,該項目研究將會為高比能鋰離子電池的開發和應用提供新的策略和思路。2019年11月28日,相關工作以《Metal/LiF/Li2O nanocomposite for battery cathode prelithiation: Tradeoff between capacity and stability》為題發表在國際納米材料和納米技術領域頂級期刊Nano Letters(DOI:10.1021/acs.nanolett.9b04278)上。

      (a) Fe/LiF/Li2O正極預鋰化劑制備過程;(b)Fe/LiF/Li2O預鋰化劑在空氣中示意圖;(c)加入預鋰化劑和不含預鋰化劑的全電池循環性能圖。

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