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                我国科学家开发全球首个超过500Wh/kg锂金属软包电池

                发布时间:2020/7/30阅读次数:5215次

                当下全球电动汽车快速发展使得高能量密度的电池需求日益强烈。有鉴于此,世界主要发达国家,如美国、日本均↙设定了开发出能量密度高达500 Wh/kg的二次锂电池发展▃目标。经典的基于三元正极材料体系锂电池的工作原理是基于过渡金属(TM)相关的阳离子氧化还原反应,但受限于阳离子活性容量,该类电池容量难以达到500 Wh/kg,而氧元素有关的阴离子氧化还原活性则有望大幅提升电池能量密度,成为了目前二次电池体系研究的热点前沿。

                南京大学Haoshen Zhou教授研究团队设计开发了一种稳定的、大容量基于阴离子氧化还原活性的正极材料体系,应用于锂金属(Li)软包全电池,通过氧化锂(Li2O)与过氧化锂(Li2O2)之间的可逆转化,显著提升了电池器件的性能,首次获得了超越500 Wh/kg的能量密度,且电池稳定循环100余次后仍可获得大于400 Wh/kg的能量密度,更为关键的是该电池镍金属的含量仅为1.59%(质量分数),远低于传统的高镍三元正极,成本更低更适于规模化生产,对电池产业和电动汽车发展具有重要推动作用。相关的♀研究表明,在Li金属电池正极材料的设计过程中,不局限于传统过渡金属氧化还原提供容量,利用Li2O与Li2O2之间的可逆转化,能够为正极体系提供很高的能量密度。理论计算得知,Li2O/Li2O2转化的理论能量密度高达2565 Wh/kg。为此研究人员利用湿化学法制备了Li2O基正极材料,同时为了提升无氧气析出的“安全”充电深度,研究人员同时制备了匹「配的镍基碳合金导电催化框架(Ni-CAC)包覆Li2O形成Li2O@Ni-CAC电极体系,一方面有助于提升电池性能,另一方面有利于减少镍金属使用量降低成本。接着以Li2O@Ni-CAC和Li为正负极,醚类溶剂为电解质组装成完整的软包电池,并开展电化学性能测试。原位气相质谱和拉曼〗光谱实验显示,在充电过程中存在明显的Li2O向Li2O2的转化过程,且Li2O@Ni-CAC电极体系的可逆“安全”充电深@ 度为750 mAh/g(基于Li2O活性物质质量),一旦超过这一数值就会出现不可逆的氧气析出。随后控制充电深度不◆超过750 mAh/g,进行充放电循环测试,发现电池可以稳定可逆循环100余次,且能量密度高达950 Wh/kg(考虑到所有电极材料质量的前提下,但不包括软包外壳);而在计入软包外壳后,电池依然获得了超越500 Wh/kg的能量密度,达到了513.5 Wh/kg,这是∑ 目前文献报道的能量密度最高的软包电池(计入整个软包电池质量后),且电池稳定循环100余次后,输出能量密度仍然高于400 Wh/kg,表现出优异的循环稳定性。

                图 1 基于♀阴离子氧化还原活性正极材料体系锂金〖属(Li)软包全电池及其性能表征

                该项研究设计开发了一种基于阴离子氧化还原活性的正极材料♀体系软包锂电池,得益于Li2O与Li2O2之间的可逆转化,电池器件的性能显著提升,首次获得了超越500 Wh/kg的能量密度,且具备良好循环稳定性,为设计开发高能量密度的锂金属电池开辟新思路。相关研究成果发表在《Joule》[1]。

                [1] Yu Qiao, Han Deng, Ping He, et al. A 500 Wh/kg Lithium-Metal Cell Based on Anionic Redox. Joule, 2020. DOI: 10.1016/j.joule.2020.05.012