2018-应用化学授课-王立民-4-电池材料.pptx

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1、第四讲电池材料王立民稀土资源利用国家重点实验室2018年3月21日材料科学与技术发展动态●背景描述●后锂电池材料●宽温镍氢电池特性和应用●研究展望内容提要元素周期表2025年目标当前动力锂电池磷酸铁锂、锰酸锂、三元正极石墨负极电池比能量：90-300Wh/kg未来动力锂电池高比容量、高电压正极材料高容量负极材料电池单体比能量：500Wh/kg正极材料2020年目标力争较现有水平提高一倍，电池系统比能量：260Wh/kg锂离子电池材料正极新型固溶体材料通过共沉淀法先制备镍锰氧化物前驱体，在通过高温锂化合成

2、Li2MnO3-LiNiMnO2。6高温锂化，得到球形固溶体材料，振实密度可达2.3g/ml；在2.0–2.8V首次循环比容量达225mAh/g。高温锂化后材料的SEM图正极新型固溶体材料锂离子正极材料高电压化在推进固溶体类正极材料基础研究的过程中，作为更接近实用水平的5V正极材料开发的是镍锰（Ni-Mn）类锂氧化物。此外，富士重工业还与日本化学工业共同发表了将磷酸钒锂（Li3V2（PO4)3：以下称LVP）与高容量NCA（Li（Ni-Co-Al)O2）混合的LVP-NCA类正极材料。富锂锰基材料xLi

3、2MnO3·(1–x)LiMO2优点：高放电比容量；高充放电电压；较低的成本。问题：首次库伦效率低；循环稳定性差、倍率性能较差；存在电压衰退及电压滞后；充电脱锂反应过程：→(x-δ)Li2MnO3·δMnO2·(1-x)MO2+(1-x)Li++δLi2O放电嵌锂反应过程：→(x-δ)Li2MnO3·δLiMnO2·(1-x)LiMO2高电压材料——LiNi0.5Mn1.5O4尖晶石型LiMn2O4作为正极材料充放电过程中伴随着Li+离子脱出嵌入发生的Jahn-Teller效应而导致的电极容量下降、容量

4、衰减大、循环寿命短。1997年，J.R.Dahn等发现采用Ni替代部分Mn形成LiNi0.5Mn1.5O4具有4.7V放电平台，并具有较高的充放电容量，是一种新型高性能锂离子电池正极材料最新进展2013年，南开大学陈军课题组成功合成多孔纳米棒状LiNi0.5Mn1.5O4纳米材料，在锂离子电池测试中具有优异的倍率性能和循环性能锂离子正极材料有机化合物虽然着眼于2030年的新一代电池研究相关的话题比较多，但旨在提高目前的锂离子充电电池性能的研究开发势头也丝毫没有减退在通过采用新材料实现200mAh/g以上

5、锂离子充电电池的候补技术中，关注度最高的是有机充电电池。正极采用有机化合物的有机充电电池的理论容量最大可达到近1000mAh/g。而且不使用重金属。因此具备重量轻，资源限制少的优势。锂离子正极材料有机化合物有机充电电池虽然单位重量的能量密度高，但单位体积的能量密度却比较低。而且，锂电位大多只有2～3.5V。因此，要想实现与目前的锂离子充电电池相同的能量密度，至少要找到具备400～600mAh/g容量的有机化合物。松下还与京都大学的吉田研究室共同进行了开发。2012年11月19日，发布了支持30C高速充放

6、电的有机充电电池。锂离子正极材料有机化合物图MHC-2的SEM图Li-NiS电池材料图MHC-S电极循环性能曲线（电流密度：800mA/g）S-1：首次放电容量为320mAh/g，500次循环后为290mAh/g，容量保持率为90.6%。S-2：首次放电容量为263mAh/g，500次循环后为276mAh/g。Li-S电池材料图1（a）单质硫，（b）GNS的TEM图图2单质硫和S/GNS复合材料在0.1C(167mA/g)下的放电循环性能曲线S/GNS电极：首次放电容量高达1598mAh/g，硫的利用率

7、95.6%，80次循环后为670mAh/g，循环稳定非常好。MO/FeCl3+吡咯单体GO溶液+制备多种复合材料，在提高硫负载量的同时有效吸附多硫离子，获得良好的循环稳定性及倍率性能。锂-S电池材料研究锂离子负极材料今后计划混合硅和锡等合金类负极材料来提高能量密度，计划2020年实现1000mAh/g以上的能量密度稀土类硅化物和硅的复合材料Sn-Sb类硫化物五铃精工硝子推进了将锡锑（Sn-Sb）硫化物玻璃与硅的复合体用作锂离子充电电池负极材料的开发。“2012年已开始少量样品供货”（该公司）。在此前的研

8、究中已经证实，该复合材料能以1000～1400mAh/g的容量实现稳定的循环寿命。五铃精工硝子此次与日本产业技术综合研究所关西中心共同在该复合材料上缠绕正极材料LiFePO4和无纺布隔膜试制了电池注13）。电池容量为850mAh。通过充放电试验确认，在－20～＋60℃的大温度范围内可以作为充电电池正常使用（图19）。在温度为60℃、充放电率为3C时，比容量为128mAh/g。循环特性出色，反复充放电150次仍维持了99％的容量。金属硫化物负