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锂电池材料未来的发展趋势是什么?

时间:2022-10-21 14:12:04来源:钜大LARGE

导语:​固体电解质一般又称为快离子导体,要求具有较高的离子导电性、低的电子导电性和低活化能。

  1.电极材料

  正极材料

  (1)传统正极材料(LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等)的基础上,发展相关的各类衍生材料,通过掺杂、包覆、调整微观结构、控制材料形貌、尺寸分布、比表面积、杂质含量等技术手段来综合提高其比容量、倍率、循环性、压实密度、电化学、化学及热稳定性。

太阳集团网址首页  (2)而三元材料(LiNixCoyMn1-x-y)和富锂材料(Mn基和V基)具有较大的开发与技术研究空间和广阔的应用前景。因此,镍钴锰三元材料、富锂锰基钒基材料、性能优异的复合正极材料、以及高效节能的聚阴离子团正极材料是未来锂离子电池正极材料的主流;开发更加高效节能的新型正极材料来克服和取代现有的存在缺陷的正极材料也是研究的热点。

太阳集团网址首页  (3)一系列的过渡金属氟化物、氧化物、硫化物以及氮化物被证实可以实现多电子转移,实现很高的容量。基于转化反应机制而实现储锂功能的电极材料具有比基于锂离子嵌入脱出机制的传统锂离子电池电极材料高出2~4倍以上的比容量。不过还存在很多问题要解决,这类材料的研究相比较较少,机制上还有很多说不清楚的地方。

  (4)看文献中,还有人做过有机正极材料,重要是分为导电聚合物、含硫化合物、氮氧自由基化合物和羰基化合物等,(具体的我了解的不是很多,假如有了解的希望能够补充)。

  其中P1、P2为有机电极材料(可以是小分子也可以是聚合物),M+,A+为掺杂的正负离子,通常为Li+、Na+、(C4H9)4N+和Cl\CICV、PF6-等。P1-M+,P2+A-、PI+A-、P2-M+为掺杂后的有机电极材料。

  负极材料

  (1)碳基材料

  包括重要未来的发展将重要集中在高功率石墨类负极及非石墨类高容量碳负极(软碳、硬碳等),以满足未来动力和高能电池的需求。新型碳材料:如碳纳米管(CNT),石墨烯,由于具有特殊的一维和二维柔性结构、优良的导热性和导电特性,降低其成本朝着高能量密度、高循环特性和低成本的方向发展。

  (2)非碳材料

  LTO可类比于碳基材料,Fe,Ge,Sn,Si等金属或者半导体材料是现今研究的热点,围绕着包覆,表面改性,纳米化,复合化等方向以期降低其体积膨胀而能形成稳定的SEI膜,这类金属材料的比容量尤其是Si,很高,应该是下一代锂离子电池理想的正极材料,不过其体积膨胀和SEI不稳定的问题至今仍没有很好的解决,也从一定程度上制约了其发展,特别是体积能量密度相关于石墨负极的优势远不如理论计算结果,因此关于应用上也不是绝对的优势,最终,锂离子电池的负极材料很可能还是回归到Li单质本身,金属锂可充放锂离子电池、全固态锂离子电池、锂硫电池以及锂空电池等新型电池正在被大量研究。

  2.电解质材料

  重要是要提高电解质的电压窗口,降低成本,电解液的温度适用范围,提升固态电解质的离子电导率,控制形成稳定的SEI膜几方面进行考虑。

  .液态电解质:

  现阶段,一般都是使用LiPF6,EC加一种或几种线性碳酸酯作为溶剂,通过加入不同的添加剂和采用不同的溶剂以及替换不同的锂盐,来试验各种类型和场合,因为LIPF6/EC:DMC电解质体系的工作温度范围为-20~50℃。现阶段也有不少尝试使用离子液体,它的温度范围更宽且蒸汽压更低,电化学性能好且电化学稳定,但是非常贵(戴宏杰教授的铝离子电池Nature就是用的一种离子液体),再就是发展凝胶/固态电解质;其次就是高压电解质以通过提纯溶剂、采用离子液体、氟代碳酸酯、添加正极表面膜添加剂等来解决,同样发展固体电解质也能显著提高电压范围。

  凝胶电解质

  常用的凝胶型聚合物电解质基体有:聚丙烯腈(PAN)、聚氧化乙烯(PEO)、聚甲基丙烯酸、甲酯(PMMA)、聚偏氟乙烯(PVDF)等。凝胶型聚合物电解质对环境的污染小,使用的安全性能更好,在电池市场中倍受青睐。近几年,发展的趋势是通过纳米粒子(常用的无机填料有SiO2、Al2O3)改性共聚或共混等手段,得到有较高孔隙率较低电阻较高抗撕裂强度较好抗酸碱能力和良好弹性的电解质膜。

  固态电解质

  固体电解质一般又称为快离子导体,要求具有较高的离子导电性、低的电子导电性和低活化能。说实话,我觉得固态电解质应该是锂离子电解质的最终BOSS,其提出就是要解决现阶段锂离子电解质的所有问题,所以发展目标就是从根本上解决目前所使用的锂离子电池安全性问题,提高能量密度、循环性、服役寿命、降低电池成本等等。

  3.发展与展望

  当解决了金属锂枝晶和安全上的一些问题时,锂金属很可能成为锂离子电池的最终负极材料。下图是一篇文献中从理论计算的角度上关于锂离子电池的发展规划,由锂离子电池向锂金属电池,再到锂燃料动力电池的转化。

太阳集团网址首页  因此,基于这一点:对锂离子电池而言,从能量密度逐年上升的角度考虑,可充放锂离子电池今后的发展趋势可能是:

  采用高容量正极、高电压正极,高容量负极的新一代锂离子电池,如以LiNi1/2Mn3/2O4,xLi2MnO3(1–x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2为正极,高容量Si基材料为负极的锂离子电池。

  以金属锂为负极的可充放锂离子电池。氟化石墨(CF)n的工作电压在2.9V,储锂容量为800mAh/g,Li/(CF)n电池具有较高的质量能量密度,但是目前还无法循环。其它锂离子电池,如Li/FeF3、Li/MnO2、Li/FeS2电池循环性、安全性等综合性能还不能全面满足应用的要求。

  预计首先实现的有可能是以金属锂为负极,采用现有锂离子电池正极材料的可充放锂离子电池。

  最终发展的高能量密度电池应该是以金属锂为负极,O2、H2O、CO2、S为正极的可充放锂离子电池。


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