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青島能源所開發出基于電解液改性的高性能富鋰錳基正極材料新體系
2020-06-05 | 編輯: | 【 】| | 供稿部門:先進儲能材料與技術研究組
    

  現階段車用動力型鋰電池的正極材料,如磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元材料能量密度普遍偏低,嚴重限制了純電動汽車的續航里程。富鋰錳基正極材料具有高比容量(超過250 mAh·g-1)、高工作電壓、熱穩定性好、低成本等優點,可以達到國家規劃的未來動力電池能量密度目標,是一種非常有潛力的動力型正極材料。但是其首效低、循環性能和倍率性能差、電壓衰降、無相匹配高壓電解液等缺點阻礙了其實際應用。

  針對富鋰錳基正極材料存在的問題,青島能源所武建飛研究員帶領的先進儲能材料與技術研究組獨辟蹊徑以電解液為出發點,成功設計開發出一種適用于富鋰錳基正極材料的高性能電解液。應用此電解液可以大幅度提升富鋰錳基正極材料的循環壽命,同時很好的抑制循環過程中的電壓平臺衰降。該電解液的開發有望實現高比容量富鋰錳基鋰離子電池的商業化應用。

  1.富鋰錳基正極材料在高性能電解液中的電化學性能圖

  該電解液是一種基于氟代溶劑和雙鋰鹽電解質的高性能電解液,對富鋰錳基正極材料表現出高匹配兼容性,大幅度提升富鋰錳基正極材料的電化學性能,富鋰錳基正極材料首次放電比容量從267mAh·g-1提升到297mAh·g-1(圖1A);循環壽命大幅提升,在0.5C倍率下經500次充放電循環后容量保持率高達88%(普通商業化電解液0.5C倍率下循環500次容量保持率低于50%),在0.2C倍率下經過200圈循環后容量保持率可達98.6%(圖1B;能夠提高放電平臺電壓且對抑制循環過程中的電壓衰降表現出色,經過100圈循環后電壓衰降僅120mV(圖1C);此外倍率性能也獲得極大地提升,2C倍率下放電比容量接近200mAh·g-1(電動汽車啟動電流2C,巡航電流0.3C)(圖1D)。研究人員發現優異電化學性能的實現主要得益于氟代溶劑和含氟鋰鹽在富鋰錳基正極材料表面形成一層保護膜起到穩定正極材料結構的作用,抑制電解液的分解對正極材料造成的腐蝕;同時會在負極表面形成穩定的保護膜,改善循環穩定性,從而大幅提高富鋰錳基正極材料的電化學性能。該電解液對于提升富鋰錳基正極材料的循環壽命和抑制電壓衰降效果顯著,為富鋰錳基正極材料的改性研究提供了新的思路。

  2. 經過電解液改善后富鋰錳基正極材料和磷酸鐵鋰(LiFeO4),三元材料(NCM811)材料的綜合性能對比

  該研究為獲得高比能富鋰錳基鋰電池提供了一種簡便而高效的方法。即:不需要對富鋰錳基材料本體進行任何處理,直接通過電解液一步法改性就可以實現富鋰錳基正極材料電化學性能的綜合提升,方法簡便有效且便于實現商業化生產。富鋰錳基材料經過電解液的改善后,綜合性能相比三元材料和磷酸鐵鋰都具有很大的優勢(圖2),超高的能量密度更加滿足人們對長續航動力電池的需求,同時兼具了優異的熱穩定性,不易起火爆炸,循環壽命和倍率性能的綜合提升表現出優異的電化學性能,不僅滿足3C電子產品用電池甚至適用動力電池,較低的成本在與其他正極材料競爭中優勢更加凸顯,這將大大加速富鋰錳基正極材料走向商業化的步伐,也為設計具有更高比能量動力電池提供了新的選擇。(文/圖 宋德朋)

 
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