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構(gòu)筑高功率、長(zhǎng)壽命、低溫鋰離子電池的新方法

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:540次  |  2019年02月06日  

近日,iChEM研究人員、復(fù)旦大學(xué)王永剛教授及其研究小組采用一種簡(jiǎn)單的預(yù)鋰化方法,構(gòu)筑了Li2V2(PO4)3//LixC鋰離子電池體系,其表現(xiàn)出高功率、長(zhǎng)壽命和良好的低溫性能。相關(guān)的研究成果以“ASimplePre-lithiationStrategytoBuildHigh-RateandLong-lifeLithium-ionBatterywithImprovedLow-temperaturePerformance”為題于2017年11月14日在線(xiàn)發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》(AngewandteChemieInternationalEdition,2017,DOI:10.1002/anie.201710555)。

近年來(lái),以鋰離子電池為動(dòng)力的電動(dòng)汽車(chē)正在迅速發(fā)展。然而,眾所周知,鋰離子電池的性能隨著溫度的降低而迅速下降。這將大大限制電動(dòng)汽車(chē)在冬季或一些高寒地區(qū)的應(yīng)用。前期的研究表明,除了電解液在低溫下的低離子電導(dǎo),基于石墨負(fù)極的常規(guī)鋰離子電池的低溫性能還被低溫下鋰離子進(jìn)出石墨過(guò)程的脫溶劑/溶劑化所限制。針對(duì)這一問(wèn)題,該課題組采用預(yù)鋰化的硬碳負(fù)極取代傳統(tǒng)的石墨負(fù)極,并和磷酸釩鋰(Li2V2(PO4)3)正極結(jié)合構(gòu)成了一個(gè)新的電池體系。

圖1Li2V2(PO4)3//LixC鋰離子電池的電化學(xué)性能

近年來(lái),預(yù)鋰化硬碳(Prelithiatedhardcarbon)已經(jīng)應(yīng)用于混合型鋰離子電容器,并表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。然而,預(yù)鋰化工藝復(fù)雜、成本高,其涉及到純鋰電極的使用,存在安全隱患。在這一研究中,研究人員巧妙地利用了Li3V2(PO4)3正極材料的多步脫鋰過(guò)程,實(shí)現(xiàn)了硬碳的預(yù)鋰化。在首次充電過(guò)程中,鋰離子從正極脫出形成Li2V2(PO4)3,同時(shí)脫出的鋰離子會(huì)嵌入到硬碳負(fù)極,并形成了預(yù)鋰化的硬碳負(fù)極(LixC)。隨后,Li2V2(PO4)3與LixC構(gòu)成了一個(gè)鋰離子電池體系。當(dāng)在3.5之4.3V充放時(shí)候(圖1),該電池表現(xiàn)出類(lèi)似超級(jí)電容器的高功率和長(zhǎng)壽命。此外,雖然使用了常規(guī)的電解液LB303,該電池表現(xiàn)出優(yōu)異的低溫性能。在零下40攝氏度時(shí),其的容量能夠保持常溫容量的67%,遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)的鋰離子電池。這主要得益于納米碳包覆Li2V2(PO4)3正極材料自身良好的低溫性能和預(yù)鋰化硬碳負(fù)極在低溫下的相對(duì)快速的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。然而值得注意的是,該電池體系中只利用了Li3V2(PO4)3的部分容量,能量密度有限,比較適合用作起停電池。此外,隨著溫度降低,電解液的離子電導(dǎo)迅速下降,增加了電池內(nèi)阻,因此,該電池在低溫下表現(xiàn)出明顯的極化。在后續(xù)研究中,還需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高性能低溫電解液,用于提升這種電池在低溫下的電化學(xué)性能。

圖2Li2V2(PO4)3//LixC鋰離子電池的低溫性能

該工作由復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系二年級(jí)博士生劉瑤、二年級(jí)碩士生陽(yáng)秉昌共同完成。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委(21622303)等相關(guān)項(xiàng)目的資助。

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