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          鋰離子電池材料未來的發展趨勢是什么?

          發布時間:2021-04-15 16:04:29 瀏覽:217 來源:小編

          1.電極材料

          正極材料

          (1)傳統正極材料(LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等)的基礎上,發展相關的各類衍生材料,通過摻雜、包覆、調整微觀結構、控制材料形貌、尺寸分布、比表面積、雜質含量等技術手段來綜合提高其比容量、倍率、循環性、壓實密度、電化學、化學及熱穩定性。

          (2)而三元材料(LiNixCoyMn1-x-y)和富鋰材料(Mn基和V基)具有較大的開發與技術研究空間和廣闊的應用前景。因此,鎳鈷錳三元材料、富鋰錳基釩基材料、性能優異的復合正極材料、以及高效節能的聚陰離子團正極材料是未來鋰離子電池正極材料的主流;開發更加高效節能的新型正極材料來克服和取代現有的存在缺陷的正極材料也是研究的熱點。

          (3)一系列的過渡金屬氟化物、氧化物、硫化物以及氮化物被證實可以實現多電子轉移,實現很高的容量?;谵D化反應機制而實現儲鋰功能的電極材料具有比基于鋰離子嵌入脫出機制的傳統鋰離子電池電極材料高出2~4倍以上的比容量。不過還存在很多問題要解決,這類材料的研究相比較較少,機制上還有很多說不清楚的地方。

          (4)看文獻中,還有人做過有機正極材料,重要是分為導電聚合物、含硫化合物、氮氧自由基化合物和羰基化合物等,(具體的我了解的不是很多,假如有了解的希望能夠補充)。

          其中P1、P2為有機電極材料(可以是小分子也可以是聚合物),M+,A+為摻雜的正負離子,通常為Li+、Na+、(C4H9)4N+和Cl\CICV、PF6-等。P1-M+,P2+A-、PI+A-、P2-M+為摻雜后的有機電極材料。

          負極材料

          (1)碳基材料

          包括重要未來的發展將重要集中在高功率石墨類負極及非石墨類高容量碳負極(軟碳、硬碳等),以滿足未來動力和高能電池的需求。新型碳材料:如碳納米管(CNT),石墨烯,由于具有特殊的一維和二維柔性結構、優良的導熱性和導電特性,降低其成本朝著高能量密度、高循環特性和低成本的方向發展。

          (2)非碳材料

          LTO可類比于碳基材料,Fe,Ge,Sn,Si等金屬或者半導體材料是現今研究的熱點,圍繞著包覆,表面改性,納米化,復合化等方向以期降低其體積膨脹而能形成穩定的SEI膜,這類金屬材料的比容量尤其是Si,很高,應該是下一代鋰離子電池理想的正極材料,不過其體積膨脹和SEI不穩定的問題至今仍沒有很好的解決,也從一定程度上制約了其發展,特別是體積能量密度相關于石墨負極的優勢遠不如理論計算結果,因此關于應用上也不是絕對的優勢,最終,鋰離子電池的負極材料很可能還是回歸到Li單質本身,金屬鋰可充放鋰離子電池、全固態鋰離子電池、鋰硫電池以及鋰空電池等新型電池正在被大量研究。

          2.電解質材料

          重要是要提高電解質的電壓窗口,降低成本,電解液的溫度適用范圍,提升固態電解質的離子電導率,控制形成穩定的SEI膜幾方面進行考慮。

          .液態電解質:

          現階段,一般都是使用LiPF6,EC加一種或幾種線性碳酸酯作為溶劑,通過加入不同的添加劑和采用不同的溶劑以及替換不同的鋰鹽,來試驗各種類型和場合,因為LIPF6/EC:DMC電解質體系的工作溫度范圍為-20~50℃?,F階段也有不少嘗試使用離子液體,它的溫度范圍更寬且蒸汽壓更低,電化學性能好且電化學穩定,但是非常貴(戴宏杰教授的鋁離子電池Nature就是用的一種離子液體),再就是發展凝膠/固態電解質;其次就是高壓電解質以通過提純溶劑、采用離子液體、氟代碳酸酯、添加正極表面膜添加劑等來解決,同樣發展固體電解質也能顯著提高電壓范圍。

          凝膠電解質

          常用的凝膠型聚合物電解質基體有: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。凝膠型聚合物電解質對環境的污染小,使用的安全性能更好,在電池市場中倍受青睞。近幾年,發展的趨勢是通過納米粒子(常用的無機填料有SiO2、Al2O3)改性共聚或共混等手段,得到有較高孔隙率較低電阻較高抗撕裂強度較好抗酸堿能力和良好彈性的電解質膜。

          固態電解質

          固體電解質一般又稱為快離子導體,要求具有較高的離子導電性、低的電子導電性和低活化能。說實話,我覺得固態電解質應該是鋰離子電解質的最終BOSS,其提出就是要解決現階段鋰離子電解質的所有問題,所以發展目標就是從根本上解決目前所使用的鋰離子電池安全性問題,提高能量密度、循環性、服役壽命、降低電池成本等等。

          3.發展與展望

          當解決了金屬鋰枝晶和安全上的一些問題時,鋰金屬很可能成為鋰離子電池的最終負極材料。下圖是一篇文獻中從理論計算的角度上關于鋰離子電池的發展規劃,由鋰離子電池向鋰金屬電池,再到鋰燃料動力電池的轉化。

          因此,基于這一點:對鋰離子電池而言,從能量密度逐年上升的角度考慮,可充放鋰離子電池今后的發展趨勢可能是:

          采用高容量正極、高電壓正極,高容量負極的新一代鋰離子電池,如以LiNi1/2Mn3/2O4,xLi2MnO3(1&ndash;x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2為正極,高容量Si基材料為負極的鋰離子電池。

          以金屬鋰為負極的可充放鋰離子電池。氟化石墨(CF)n的工作電壓在2.9V,儲鋰容量為800mAh/g,Li/(CF)n電池具有較高的質量能量密度,但是目前還無法循環。其它鋰離子電池,如Li/FeF3、Li/MnO2、Li/FeS2電池循環性、安全性等綜合性能還不能全面滿足應用的要求。

          預計首先實現的有可能是以金屬鋰為負極,采用現有鋰離子電池正極材料的可充放鋰離子電池。

          最終發展的高能量密度電池應該是以金屬鋰為負極,O2、H2O、CO2、S為正極的可充放鋰離子電池。


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